Nếu trong cơ thể con người trái tim là bộ phận hết sức quan trọng thì đối với một con xe bộ phận được coi là trái tim và có thể nó quyết định đến 50% giá trị của chiếc xe ấy là “động cơ”. Trong thời đại công nghiệp 4.0 sự cạnh tranh giữa các doanh nghiệp ô tô vô cùng gay gắt, đặt biệt trong một phân khúc lại có sự xuất hiện của nhiều hãng xe thì một động cơ tốt có thể giành sự ưu ái của khách hàng. Vì thế để không bị bỏ lại phía sau các hãng ô tô luôn luôn cải tiến động cơ của mình, tránh việc “bình mới, rượu cũ”. Ngoài việc cải tiến piston và xilanh thì việc thay đổi hệ thống phân phối khí cũng góp phần tăng hiệu suất của động cơ. Một trong những hệ thống phân phối khí nổi tiếng nhất trong giới xe cộ đó là hệ thống phân phối khí Valvetronic của thương hiệu xe đến từ Đức – BMW.
Trang 2TP HỒ CHÍ MINH
-MÔN: NGUYÊN LÍ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
CHỦ ĐỀ: HỆ THỐNG PHAN PHỐI KHÍ
VALVETRONIC
TP Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 3 năm 2019
Trang 3MỤC LỤC 1.Mở đầu
1.1Lí do chọn đề tài 1.2Mục đích nguyên cứu
1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.4Kết cấu bài nghiên cứu
2 Nội dung
2.1 Sự ra đời của hệ thống phân phối khí Valvetronic
2.2 Cấu tạo của hệ thống phân phối khí valvetronic
2.3.1 Khi có tải nặng và có tải nhẹ nguyên lí hoạt động sẽ khác nhau
2.3.2 Động cơ không sử dụng cánh bướm ga cơ cấu valvetronic 2.3.3 Truyền động biến thiên hành trình xupap / điều khiển Valvetronic
2.4 Lí do sử dụng công nghệ hệ thống phân phối khí Valvetronic
2.5 So sánh với hệ thống phân phối khí DOHC với SOHC
2.6 Ưu điểm nhược điểm của hệ thống phân phối khí Valvetronic
2.7 Tiềm năng phát triển của hệ thống Valvetronic
Liên hệ với ô tô đến từ Việt Nam
3.Kết luận
Trang 4HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÍ VALVETRONIC
Phần 1
Mở đầu 1.1 Lí do chọn đề tài
Nếu trong cơ thể con người trái tim là bộ phận hết sức quan trọng thì đối với một con xe bộ phận được coi là trái tim và có thể nó quyết định đến 50% giá trị của chiếc xe ấy là “động cơ” Trong thời đại công nghiệp 4.0 sự cạnh tranh giữa các doanh nghiệp ô tô vô cùng gay gắt, đặt biệt trong một phân khúc lại có sự xuất hiện của nhiều hãng xe thì một động cơ tốt có thể giành sự ưu ái của khách hàng Vì thế để không bị bỏ lại phía sau các hãng ô tô luôn luôn cải tiến động
cơ của mình, tránh việc “bình mới, rượu cũ” Ngoài việc cải tiến piston và xilanh thì việc thay đổi hệ thống phân phối khí cũng góp phần tăng hiệu suất của động cơ Một trong những hệ thống phân phối khí nổi tiếng nhất trong giới
xe cộ đó là hệ thống phân phối khí Valvetronic của thương hiệu xe đến từ Đức – BMW
Tiền thân của hệ thống phân phối khí Valvetronic là hệ thống phân khối khí Vanos Tuy nhiên hệ thống Vanos mới chỉ thay đổi được thời điểm phối khí mà chưa tác động sâu vào độ nâng xupap vì thế để tối ưu việc nạp, xả nhiên liệu hệ thống Valvetronic đã ra đời để có thể thay đổi được độ nâng xupap
1.2 Mục đích nguyên cứu
Nhằm hiểu rõ lịch sử, cơ cấu, nguyên lí hoạt động và ứng dụng của nó vào thực tức hoạt động thế nào Đây có phải là hệ thống phân phối khí tốt nhất trong thế giới mà các hãng khác cần hợp tác hay đây chỉ là cải tiến về độ năng xupap mà
nó vẫn có những thiếu xót nhất không thể thay đổi Qua đó giúp ta tìm hiểu được ưu điểm và nhược điểm của hệ thống phân phối khí mà BMW đang sử dụng và phát triển
Trang 51.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• Đối tượng nghiên cứu:
Chủ yếu nghiên cứu hệ thống phân phối khí Valvetronic của BMW và một số thành tựu mà hệ thống đem lại cho động cơ
• Phạm vi nghiên cứu:
Nghiên cứu nguyên lí hoạt động của hệ thống phối khí Valvetronic dựa vào kiến thức đã học, tham khảo tài liệu, sách báo của hãng công bố
Nghiên cứu cấu tạo các đặc điểm khác với các đối thủ, ưu điểm và nhược điểm Qua đó tham khảo, học hỏi, tiếp thu những thành tựu ô tô thế giới đã đạt được
và sắp phát triển
1.4 Kết cấu bài nghiên cứu
• Sự ra đời của hệ thống phân phối khí Valvetronic
• Cấu tạo của hệ thống phân phối khí valvetronic
• Nguyên lí hoạt động
• Lí do sử dụng công nghệ hệ thống phân phối khí Valvetronic
• Ưu điểm nhược điểm của hệ thống phân phối khí Valvetronic
• Tiềm năng phát triển của hệ thống Valvetronic
Trang 6Phần 2
Nội dung 2.1 Sự ra đời của hệ thống phân phối khí Valvetronic
Hơn 100 năm phát triển - là một đối thủ nặng kí với bất cứ hãng xe nào trên thế giới BMW tự tin là hãng xe sang trọng, thể thao và đặc biệt là khả năng vận hành
Hệ thống Vanos mới chỉ thay đổi được thời điểm phối khí mà chưa tác động sâu 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 lí có bộ xử lí 40-megahert, 32-bit trên xe và là động cơ đầu tiên trên thế giới không cần sử dụng bướm ga
Valvetronic là hệ thống tự động điều chỉ cấu phun xăng đa điểm và độ mở xupap biến thiên Sự khác biệt giữa Valvetronic và các công nghệ phun xăng đa điểm khác là Valvetronic không sử dụng bướm ga cơ khí để điều khiển lượng hoà khí cho động cơ mà dùng chính cơ cấu xupap có độ mở biến thiên làm nhiệm vụ đó
Hệ thống phun xăng chỉnh lượng gió (hoặc hoà khí, tùy theo phun trực tiếp) Tuy nhiên khi tải nhẹ (khi xe đang chạy chậm hay trong trường hợp xe xuống dốc) bướm ga đóng một phần hay gần như đóng kín, lúc này các pittông quá trình nạp Điều này tăng thêm một độ chân buồng cháy của động cơ gây cản trở hoạt động đi xuống của piston làm tổn thất quá trình nạp của động cơ tăng lên và cuối cùng làm chạy càng chậm, bướm ga đóng càng kín, tổn thất năng lượng sẽ càng tăng thêm Với công nghệ Valvetronic tổn hao này đã được giảm thiểu tới mức thấp nhất, do pittông dịch chuyển tự do không còn bị tác động từ hiệu ứng chân không Trong hệ thống Valvetronic vẫn có trục cam xupap truyền thống nhưng song song với trục cam xupap hút còn có một trục lệch tâm, nhiều đòn nối với một mô tơ điện tốc độ chậm
Khi người lái nhấn hoặc buông chân ga hiệu điện Tín hiệu điện được máy tính gửi ngay tới mô tơ, tùy theo việc tăng hay giảm tốc mà mô tơ sẽ dịch chuyển để thay
Trang 7đổi độ mở của xupap Khi ga thấp mô tơ sẽ tác động tới xupap qua cơ cấu tay đòn
và bánh khí vào trong xylanh ít Ngược lại, khi ga cao mô tơ điều khiển độ mở xupap lớn để lượng hòa khí vào xylanh nhiều hơn
Do lượng hòa khí vào buồng đốt động cơ luôn được điều chỉnh tùy theo yêu cầu về công suất và mômen xoắn nên Valvetronic có khả năng tiết kiệm nhiên liệu 10% so với các động cơ có cùng dung tích xylanh (5,3l/100km) Đối với các ô tô thường xuyên hoạt động trong thành phố lượng tiết kiệm có thể còn cao hơn, động cơ êm
và phản ứng nhanh hơn khi tăng/giảm tốc, giảm lượng khí thải độc hại do hòa khí được đốt cháy triệt để (140 gram CO2/km) Thông thường BMW thường kết hợp
cả công nghệ xoay trục cam Vanos và Valvetronic trên cùng một loại động cơ Valvetronic đặc biệt hiệu quả với các động cơ có vòng tua thấp nhưng không phát huy được tác dụng khi số vòng tua cao hơn 6000 vòng/phút, do ở tốc độ cao cần phải có lò xo xupap cứng hơn, đảm bảo tính đàn hồi tốt Nhưng lò xo cứng lại gây tổn hao năng lượng như ma sát sẽ lớn hơn, chính vì vậy các mẫu xe có tính năng vận hành cao như BMW M-series không cần Valvetronic
2.2 Cấu tạo của hệ thống phân phối khí valvetronic
Trang 8Thay đổi độ nâng xupap (nguồn: autocarvietnam)
2.3 Nguyên lí hoạt động
2.3.1 Khi có tải nặng và có tải nhẹ nguyên lí hoạt động sẽ khác nhau
BMW lần đầu tiên sử dụng công nghệ Valvetronic của mình trên động cơ 4 xi-lanh Hệ thống sử dụng đòn bẩy để kiểm soát khoảng cách mà các van nạp được nhấc khỏi vị trí mặc định Một trục lệch tâm, được điều khiển bởi một động cơ điều khiển bằng máy tính, đã đẩy các đòn bẩy vào các khoảng trống giữa thân van và trục cam, tăng dần van nâng, trong khi thay đổi các điểm mở và đóng của van nạp
Ở tốc độ không tải và dưới tải nhẹ, lượng mở van nạp nhỏ; Khi người lái nhấn bàn đạp ga, máy tính sẽ tăng lực nâng van nạp, hút thêm không khí vào xi-lanh và tăng tốc độ động cơ
Động cơ BMW Valvetronic có một tấm tiết lưu thông thường tại điểm vào của cửa nạp, nhưng nó chỉ đóng khi động cơ không chạy và trong một thời gian ngắn sau khi khởi động Sau giai đoạn khởi động này, tấm tiết lưu vẫn mở khi lái xe bình thường, do đó không có vùng áp suất thấp trong ống góp cản trở khả năng bơm khí của động cơ
Trang 9Ngày nay, gần như tất cả các động cơ của BMW, bao gồm cả động cơ tăng áp, đều được Valvetronic điều chỉnh Bởi vì đường ống nạp của động cơ tăng áp hoặc tăng
áp gần như luôn luôn ở áp suất khí quyển hoặc cao hơn, van tiết lưu không mang lại lợi thế đáng kể cho những động cơ đó như trong động cơ hút khí tự nhiên Nhưng theo Tom Plucinsky, một phát ngôn viên của BMW, nó cải thiện phản ứng điều tiết bởi vì thời gian để turbo tăng áp lực cho đường ống nạp bị giảm
2.3.2 Động cơ không sử dụng cánh bướm ga cơ cấu valvetronic
Động cơ Valvetronic của BMW là động cơ đầu tiên trên thế giới không sử dụng bướm ga Với động cơ này BMW tuyên bố tiết kiệm khoảng 10% nhiên liệu so với các loại động cơ thông thường
Để hiểu làm thế nào động cơ không bướm ga có thể tiết kiệm được nhiên liệu, trước tiên chúng ta sẽ xem lại cách làm việc của các động cơ thông thường Ở loại này, khi ta ấn bàn đạp ga, ta không kiểm soát được lượng nhiên liệu phun ra, mà làm thay đổi lượng không khí đi vào đường ống nạp Hệ thống điều khiển động cơ
sẽ theo dõi lượng không khí đi qua cánh bướm ga và sau đó sẽ xác định lượng nhiên liệu cần thiết để đưa vào động cơ, bướm ga mở càng lớn, lượng không khí đi vào buồng đốt của động cơ càng tăng
Tuy nhiên khi tải nhẹ (khi xe đang chạy chậm hay trong trường hợp xe xuống dốc), bướm ga đóng một phần hay gần như đóng kín, lúc này các pit-tông vẫn chuyển động đi xuống thực hiện quá trình nạp Điều này tăng thêm một độ chân không cục
bộ giữa cánh bướm ga và buồng cháy của động cơ Gây cản trở hoạt động đi xuống của pit-tông, làm tổn thất của quá trình nạp của động cơ tăng lên và cuối cùng làm giảm công suất của động cơ Động cơ chạy càng chậm, bướm ga đóng càng kín, tổn thất năng lượng sẽ càng tăng thêm
Với cơ chế loại bỏ cánh bướm ga, động cơ đã tiết kiệm được một phần nhiên liệu, đặc biệt ở số vòng quay nhỏ Theo các thử nghiệm đã tiến hành bao gồm các chế
độ tốc độ cao và tốc độ thấp ở động cơ 1,8 lít lượng nhiên liệu tiết kiệm lên đến 10% (5,3l/100km) Đối với các ô tô thường xuyên hoạt động trong thành phố lượng tiết kiệm có thể còn cao hơn.Như vậy nếu không có bướm ga, làm thế nào để điều khiển lượng không khí đi vào các xy-lanh động cơ Ở đây người ta sẽ điều khiển khoảng chạy của các xu-páp.Ở hệ thống này người ta vẫn sử dụng một trục cam truyền thống, nhưng dùng thêm một trục có gắn bánh lệch tâm (trục lệch tâm)
và một loạt các cơ cấu cần, tất cả hoạt động chịu sự chi phối của một mô-tơ bước
Trang 10Dựa vào các tín hiệu từ cảm biến bàn đạp ga và một số cảm biến khác mô-tơ bước
sẽ làm xoay trục lệch tâm, dẫn đến khoảng chạy của xú-páp cũng thay đổi theo Cần tác động càng bị ấn xuống sâu hơn, khoảng chạy của xú-páp càng nhiều hơn
và ngược lại.Khoảng chạy của xú-páp thay đổi từ 0-9,7mm, thông thường BMW thường kết hợp cả công nghệ xoay trục cam và Valvetronic trên cùng một loại động cơ
2.3.3 Truyền động biến thiên hành trình xupap / điều khiển Valvetronic Truyền động biến thiên hành trình xupap / Valvetronic (A60210)
Truyền động biến thiên hành trình xupap đã được phát triển để giảm tiêu thụ nhiên liệu Lượng khí cung cấp cho động cơ không được thiết lập bởi bướm ga mà bởi sự biến thiên hành trình của xupap nạp Một trục lệch tâm điều chỉnh bằng điện sử dụng đòn bẩy trung gian để thay đổi hiệu dụng của trục cam trên cò mổ Điều này tạo ra một sự điều chỉnh hành trình của các xupap Hiện nay bướm ga chỉ sử dụng khi khởi động động cơ và cho chức năng hoạt động dự phòng khẩn cấp Trong tất
cả các trạng thái hoạt động khác, bướm ga được mở ra, cho đến nay nó chỉ có tác dụng điều tiết rất nhỏ Để thông gió trong đường ống, một độ chân không nhất định
là vẫn còn cần thiết
Vị trí tương ứng của truyền động biến thiên hành trình xupap được tính toán trong
mô đun điều khiển động cơ trên cơ sở vị trí của cảm biến chân ga và các cảm biến khác Truyền động biến thiên hành trình xupap di chuyển nhờ mô đun điều khiển
và mô tơ servo riêng Mô tơ servo được lắp đặt ở nắp máy để điều khiển đĩa trục lệch tâm thông qua trục vít của mô tơ
Thông tin liên lạc giữa mô đun điều khiển động cơ và mô đun điều khiển mô tơ Valvetronic thông qua mạch CAN-LOW riêng biệt của mạng CAN Tất cả các chức năng được tính toán trong mô đun điều khiển động cơ Mô đun điều khiển Valvetronic đánh giá tín hiệu của cảm biến vị trí của trục lệch tâm và điều khiển môtơ servo của trục lệch tâm
Cảm biến vị trí
Vị trí tức thời của trục lệch tâm được cảm nhận bởi cảm biến vị trí đặc biệt Cảm biến được trang bị hai mạch độc lập theo dõi góc quay của trục lệch tâm Động cơ
Trang 11kiểm soát vị trí trục lệch tâm bằng cách điều khiển mô tơ servo cho đến khi vị trí hiện tại tương ứng với vị trí đẫ thiết lập Vì lý do an toàn, hai đầu dò của cảm biến cho ra 2 đường đặc tính để sử dụng Hai tín hiệu được gửi đến mô đun điều khiển Valvetronic ở dạng tín hiệu số Mô đun kiểm soát valvetronic cấp cho cả hai cảm biến với điện áp 5 V
Giám sát các tín hiệu điện áp
Mô đun điều khiển Valvetronic liên tục giám sát hai tín hiệu điện áp của cảm biến Chức năng giám sát kiểm tra điện áp ra cảm biến nằm trong phạm vi cho phép, tức
là liệu có hay không một sự ngắn mạch hoặc lỗi của cảm biến Hai tín hiệu không
đi chệch khỏi nhau Trong trường hợp có xảy ra lỗi, trục lệch tâm được thiết lập để
mở xupap tối đa có thể Lúc này khối lượng không khí được giới hạn bởi bướm ga Nếu nó không thể phát hiện vị trí tức thời, các xupap được mở ở mức tối đa mà không cần kiểm soát
Theo dõi vị trí trục lệch tâm
Mô đun điều khiển Valvetronic liên tục kiểm tra xem vị trí thực tế của trục lệch tâm
có tương ứng với vị trí thiết lập của nó không Điều này làm nó có thể xác định khi một xupap bị kẹt Trong trường hợp ở đây có lỗi, các xupap được mở rộng nhất có thể và không khí cấp vào được điều khiển bởi bướm ga Nếu mô đun điều khiển động cơ không thể giao tiếp với mô đun kiểm soát Valvetronic do một lỗi Low-can, thông tin liên lạc khẩn cấp được thiết lập trên một dòng chéo riêng biệt (P-VVTEN)
Chức năng “học tập” / sự thích ứng
Để đạt được chiều cao mở xupap đúng, tất cả các sai lệch trong hệ thống truyền động phải được cân bằng thích ứng Trong thủ tục “học tập” này, có một sự tiếp cận chậm trong giới hạn điều chỉnh cơ khí của trục lệch tâm Các vị trí cần đạt được, được lưu trữ và sử dụng trong mỗi điểm hoạt động làm cơ sở để tính hành
Các thủ tục “học tập” chạy tự động nếu, ví dụ như sau khi sửa chữa, một sự khác biệt giữa vị trí dừng cuối cùng và vị trí bắt đầu mới (với đầu cực 15 ON) được phát hiện Sự thích ứng cũng có thể đạt được thông qua máy quét AutoHex AutoHex (máy chẩn đoán ô tô) là một trong những công cụ quét chuyên nghiệp tốt nhất dành cho BMW; Autohex Scanner có thể kiểm tra hệ thống BMW hiệu quả và
Trang 12dễ dàng, với nhiều tính năng mạnh mẽ để giúp bạn trong việc chẩn đoán và thử nghiệm
2.4 Lí do sử dụng công nghệ hệ thống phân phối khí Valvetronic
Nếu Mecerdes-Benz thiên về sự sang trọng, Audi nghiêng về công nghệ trang bị trên xe, còn đối với BMW khả năng phấn kích khi đạp chân gas làm khách hàng luôn luôn yêu mến thương hiệu này Nếu bạn là đam mê tốc độ thì BMW sẽ làm thỏa mãn bạn điều đó Điều đó làm cho các kĩ sư BMW luôn chế tạo ra một loại động cơ có thể tiết kiệm nhiên liệu nhưng lại tối ưu hết khả năng sinh công của một chu kì nạp và xã khí, làm cho nhiên liệu chết sạch xả sạch, không làm nóng máy quá nhiều
Hệ thống phân phối khí Valvetronic được phát triển dựa trên hệ thống phân phối khí Vanos nhưng do hệ thống Vanos chưa tối ưu khả năng nạp xả Các kĩ sư BMW
đã nâng cấp hệ thống phân phối khí, có thể thay đổi độ nâng xupap theo chân gas
Do thắt chặt quy định về khí thải toàn cầu nên việc giảm dung tích động cơ sẽ giúp
xe tiết kiệm nhiên liệu, giá thành rẻ hơn, giúp xe dễ nhập khẩu Điều đó cũng là nguyên nhân để BMW bù lại mất mát do giảm dung tích xylanh
2.5 So sánh với hệ thống phân phối khí DOHC với SOHC
Valvetronic hiểu đơn giản là một cụm công nghệ kết hợp quản lý xupap và phun nhiên liệu, tạo ra truyền động biến thiên hành trình cho xupap đã được BMW phát triển để giảm tiêu thụ nhiên liệu, bảo vệ môi trường Nhưng vẫn đảm bảo hiệu suất tốt nhất cho động cơ, cụm công nghệ này mỗi hãng xe đều có và đặt ra những tên gọi khác nhau, có thể khác nhau về cơ chế hoạt động
SOHC (viết tắt Single Overhead Camshaft) ,hệ thống này được đặt trong động cơ
có duy nhất một trục cam bố trí ở đỉnh máy, phía trên các van Trục cam dẫn động trực tiếp cả xu-páp nạp và xả thông qua con đội hoặc cò mổ SOHC cho phép bố trí
2 hoặc 3 van cho mỗi xi-lanh, nếu dùng 4 van, kết cấu truyền động sẽ rất phức tạp DOHC (viết tắt là Double Overhead Camshaft) chỉ loại động cơ sử dụng 2 trục cam bố trí trên đỉnh mỗi xi-lanh Phương án bố trí 4 van cho mỗi xi-lanh tương đối
dễ dàng Động cơ có thể đạt tốc độ vòng quay lớn Đồng thời cho phép đặt xu-páp
ở các vị trí tối ưu tăng khả năng vận hành Tuy nhiên nhược điểm là trong lượng hệ