NguyenTuChung_19145348

DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 2.1.1 Hệ thống Valvetronic II trên BMW……….4 Hình 2.1.2 Đồ thị công của động cơ 4 kì phân phối khí thông thường và sử dụng Valvetronic... Để tăng hệ số nạp thêm λ1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

BÀI TIỂU LUẬN

MÔN HỌC : NGUYÊN LÝ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

TÊN ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG VALNETRONIC TRÊN ĐỘNG CƠ N52 CỦA BMW

SVTH : NGUYỄN TỰ CHUNG MSSV : 19145348

GVHD: PGS.TS LÝ VĨNH ĐẠT

Tp Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2021

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

BÀI TIỂU LUẬN

MÔN HỌC : NGUYÊN LÝ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

TÊN ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG VALNETRONIC TRÊN ĐỘNG CƠ N52 CỦA BMW

SVTH : NGUYỄN TỰ CHUNG MSSV : 19145348

GVHD: PSG.TS LÝ VĨNH ĐẠT

Tp Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2021

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT

TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm ……

Ý KIẾN NHẬN XÉT 1 Kết cấu, cách thức trình bày tiểu luận:

2 Nội dung tiểu luân: (Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)

3 Kết quả đạt được:

4 Những thiếu sót và tồn tại của ĐATN:

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH 1

DANH MỤC CÁC BẢNG 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Lý do chọn đề tài 3

1.2 Mục tiêu, ý nghĩa của đề tài 3

1.3 Phương pháp nghiên cứu 3

CHƯƠNG 2: NỘI DUNG 4

2.1 Lý do sử dụng công nghệ 4

2.2 Cấu tạo 6

2.1.1 Cơ cấu bộ điều trục cam biến thiên biến thiên (Vanos kép, tham khảo) 6

2.1.2 Cơ cấu bộ điều khiển nâng van biến thiên 7

2.3 Nguyên lý hoạt động 11

2.3.1 Nguyên lý hiệu chỉnh trục cam biến thiên(Vannos kép, tham khảo) 11

2.3.2 Nguyên lý hiệu chỉnh xupap biến thiên 12

2.4 Lịch sử cải tiến 15

2.4.1 Valvetronic I 17

2.4.2 Valvetronic II 19

2.4.3 Valvetronic III 19

2.5 Phân tích ưu điểm 22

2.5.1 Tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu 22

2.5.2 Hoàn toàn phù hợp cho tất cả các loại nhiên liệu 22

2.5.3 Ưu điểm khác 22

2.5.4 Nhược điểm 23

2.6 So sánh với các hệ thống phân phối khí nâng van biến thiên khác 23

2.6.1 Tìm hiểu về Nissan VVEL 24

2.6.2 Tìm hiểu và Toyota Valvematic 25

2.7 Ảnh hưởng của hệ thống đó đến các công nghệ, kỹ thuật khác 27

2.7.1 Động cơ BMW TwinPower Turbo 27

2.7.2 Công nghệ BMW Efficient Lightweight 28

2.7.3 Thiết kế khí động lực học Aerodynamics 28

2.7.4 Hệ thống kiểm soát năng lượng thông minh – BMW Intelligent Energy Management 29

2.8 Tình hình sử dụng hiện tại và tương lai ở Việt Nam và thế giới 29

KẾT LUẬN 31

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 32

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2.1.1 Hệ thống Valvetronic II trên BMW……….4

Hình 2.1.2 Đồ thị công của động cơ 4 kì phân phối khí thông thường và sử dụng Valvetronic ……….……….….5

Hình 2.2.1 Cấu tạo của Vanos ……….6

Hình 2.2.2 Cấu tạo bộ điều khiển nâng van biến thiên………7

Hình 2.2.3 Mô phỏng trục cam truyền thốn ……….………8

Hình 2.2.4 Mô phỏng cấu tạo trục cam lệch tâm………8

Hình 2.2.5 Mô phỏng đòn dẩn trung gian ……….9

Hình 2.2.6 Mô phỏng bộ truyền động theo cam ……….……10

Hình 2.2.7 Bộ điều chỉnh van thủy lực ……… ………10

Hình 2.3.1Sự kết hợp giữa hiệu chỉnh trục cam biến thiên và hiệu chỉnh xupap biến thiên ……….11

Hình 2.3.2 Cấu tạo Vanos ……… 12

Hình 2.3.3 Cơ cấu Valvetronic khi nâng xupap ít nhất là nhiều nhất ……… 13

Hình 2.3.4 Đồ thị mối quan hệ giữa góc xoay trục lệch tâm và độ nâng xupap ………14

Hình 2.3.5 Đồ thị mối quan tốc độ mở xupap và góc xoay trục lệch tâm , khi tốc độ quay trục cam nhỏ nhất ……… 15

Hình 2.3.6 Đồ thị mối quan tốc độ mở xupap và góc xoay trục lệch tâm , khi tốc độ quay trục cam lớn nhất ………15

Hình 2.4.1 Cơ cấu Valvetronic I ……….17

Hình 2.4.2 Biểu đồ phân phối khí trên Valvetronic I ……….18

Hình 2.4.3 Cấu tạo Valvetronic III nên động cơ N55 ………20

Hình 2.4.4 Cấu tạo động cơ trên Valvetronic III ………21

Hình 2.6.1 Cấu tạo VVEL……… 25

Hình 2.6.2 Cấu tạo Valvematic ……… 26

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.2.1 Cấu tạo bộ điều khiển nâng van biến thiên ………9

Bảng 2.4.1 Lịch sử cải tiến cơ cấu phân phối khí trên động cơ BMW ……… 17

Bảng 2.4.2 Lịch sử cải tiến Valvetronic trên động cơ BMW ……….17

Bảng 2.4.3 Giải thích kí hiệu biểu đồ phân phối khí trên Valvetronic I……… 17

Bảng 2.4.4 Giải thích kí hiệu cấu tạo Valvetronic III nên động cơ N55 ……….21

Bảng 2.4.5 Giải thích kí hiệu cấu tạo cơ trên Valvetronic III ……….22

Bảng 2.6.1 So sánh Valvetronic VVEL và Valvematic ……….25

Bảng 2.6.2 Giải thích cấu tạo Valvematic ……… 27

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Lý do chọn đề tài

Công nghiệp ô tô là một ngành quan trọng trên thế giới Các nhà chế tạo luôn muốn có được một động cơ đốt trong luôn đảm bảo được tính hiệu quả và tính kinh tế cao Và để đạt được một loại động cơ như thế thì người ta cần nghiên cứu đến những yếu tố ảnh hưởng đến tính hiệu quả và tính kinh tế của động cơ Trong khi đó, hệ thống phân phối khí cổ điển còn nhiều hạn chế Để khắc phục những hạn chế đó, một ý tưởng được các kỹ sư đưa ra là tìm cách tác động để thời điểm mở van, độ mở và khoảng thời gian mở biến thiên theo từng vòng tua khác nhau sao cho chúng mở đúng lúc, khoảng mở và thời gian mở đủ để lấy đầy hòa khí vào buồng đốt Để tăng hệ số nạp thêm (λ1) đối với mỗi hãng xe người ta điều có một công nghệ nhằm thay đổi góc phân phối khí sao cho phù hợp với mọi chế độ làm việc của động cơ

1.1 Mục tiêu, ý nghĩa của đề tài

Nhằm hiểu rõ hơn hệ thống phân phối khí thông minh Valvetronic của BMW

Đối tượng nghiên cứu: hệ thống Valvetronic II trên động cơ N52 của BMW

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Tìm kiếm, kham khảo đọc hiểu nhiều nguồn tài liệu có liên quan đến đề tài của mình

để phân tích và tổng hợp những nội dung chính cần nghiên cứu

CHƯƠNG 2: NỘI DUNG 2.1 Lý do sử dụng công nghệ

Động cơ Valvetronic là động cơ đầu tiên trên thế giới không có bướm ga Valvetronic

sử dụng kết hợp phần cứng và phần mềm để loại bỏ một số chi tiết làm giảm hiệu suất động

cơ của một số hệ thông phân phối khí thông thường thông thường Nó thay đổi thời gian và

độ nâng của các van nạp cho phép thay đổi vô hạn thời gian và không gian nạp

Hình 2.1.1 Hệ thống Val II trên BMW Chỉ có khoảng 15% năng lượng từ nhiên liệu trong bình chứa được sử dụng để di chuyển chiếc

xe hoặc chạy những phụ kiện hữu ích như điều hòa không khí Phần còn lại của năng lượng bị thất thoát đi theo nhiều cách khác nhau Và thất thoát trong động cơ khoảng 63%, những tổn thất năng lượng đó có khả năng bị ảnh hưởng bởi yếu tố sau đây

- Quá trình đốt cháy chưa lý tưởng;

- Chu kỳ nạp , xả;

- Ma sát;

- Tổn thất nhiệt

Theo thực nhiệm, việc giảm thất thoát năng lượng trong động cơ ta cần ối ưu chu kì nạp, xả khả bởi giảm ma sát và các tổn nhiệt là vô cùng khó khăn Và đây là nguyên nhân chính dẩn đến sự ra đời của Valvetronic trên các động cơ của BMW

Hình 2.1.2 Đồ thị công của động cơ 4 kì phân phối khí thông thường và sử dụng valvetronic

Hình bên trái cho thấy phương pháp phân phối khí thông thường với mức hao hụt cao hơn một chút Sự giảm sút hao hụt có thể được nhìn thấy rõ ràng trong hình minh họa bên phải

Bên cạnh đó vào năm 2000, chuyên gia kinh tế cao cấp tại ngân hàng HSBC Karen Ward nhận định, nguồn năng lượng xăng và dầu trên toàn cầu đang khan hiếm và nó có thể sẽ cạn kiệt trong vòng 49 năm nữa, nếu nhu cầu vẫn được duy trì ở mức hiện tại Vì vậy nhu cầu cần một động cơ để tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu

Ngoài ra hệ thống Valvetronic ra đời đã phủ nhận nhu cầu sử dụng thường xuyên của thân bướm ga Và giúp tăng tính năng động cho động cơ do loại bỏ được một số chỉ tiết không cần thiết

Tất cả những điều này đã dẫn đến sự phát triển của hệ thống dẫn động van biến thiên hoàn toàn, BMW Valvetronic, giúp giảm đáng kể mức tiêu thụ nhiên liệu trong khi vẫn duy trì các điều kiện lái xe cân bằng với tất cả những điều kiện tải trọng và tốc độ

2.2 Cấu tạo

Về cơ bản cấu tạo của hệ thống phân phối khí trên động cơ BMW N52 bao gồm 2 phần chính: cơ cấu bộ điều khiển nâng van biến thiên hoàn toàn kết hợp với điều khiển trục cam biến thiên (sử dụng Vanos kép) và cơ cấu bộ điều khiển nâng van biến thiên

2.1.1 Cơ cấu bộ điều trục cam biến thiên biến thiên (Vanos kép, tham khảo)

Hệ thống điện điều khiển: Modul iều 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, nhiệt độ nước làm mát, vị trí trục cam , nhiệt độ dầu

Hình 2.2.1 Cấu tạo của Vanos

Hệ thống điều khiển thủy lực: Gồm bơm dầu để tạo áp lực tác dụng lên piston, 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: 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 Bánh răng nghiêng trên đĩa xích ăn khớp trong với bánh răng nghiêng của trục then hoa Trục cam lại được liên kết với trục then hoa bằng bánh răng ăn khớp trong nhưng là răng thẳng Trục

4 Pressure chamber for retarding (Buồng áp

suất để làm chậm)

7 Control piston (Piston điều khiển)

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 răng đĩa xích Bộ chấp hành cơ khí của tất cả các hệ thống VANOS hoạt động dưới một nguyên lý giống nhau

Vanos kết hợp giữa thiết bị điều khiển cơ khí và hệ thống điều khiển bằng thuỷ lực để điều khiển các trục cam

2.1.2 Cơ cấu bộ điều khiển nâng van biến thiên

Ngoài các chi tiết phải có trên các cơ cấu phân phối khí thông thường như xupap và trục cam(trục cam) thì cơ cấu bộ điều khiển nâng van biến thiên của Valvetronic còn có những chi tiết sau: trục lệch tâm được truyền động bởi mô tơ (VVT Motor), đòn dẩn trung gian , một

số thiết bị điện tử và các chi tiết phụ khác Được mô tả như hình dưới đây

Hình 2.2.2 Cấu tạo bộ điều khiển nâng van biến thiên

Bảng 2.2.1 Cấu tạo bộ điều khiển nâng van biến thiên

5 Intake Camshaft (Trục cam nạp) 13 Intermediate Lever(Đòn dẩn trung gian)

7 HVA, Intake (Bộ điều chỉnh van thủy

lực, Nạp)

Trục cam truyền thống được kết nối với hệ thống Vanos để điều chỉnh thời điểm phối khí, vận tốc góc của nó có thể thay đổi từ 450 đến 3500 vòng/phút

Hình 2.2.3 Mô phỏng trục cam truyền thốn Hình 2.2.4 Mô phỏng cấu tạo trục cam lệch tâm Trục lệch tâm : Trục lệch tâm là bộ phận thiết yếu của bộ điều khiển nâng hạ van biến thiên Lực nâng của van thay đổi liên tục từ cực đại đến gần như bằng không bằng cách xoay trục lệch tâm nhờ động cơ điện Nó có thể xoay từ vị trí ban đầu (0o) đến vị trí cuối cùng (210o) chỉ trong 0,3 giây Trục này phải được chế tạo độ chính xác cao Bên cạnh đó, trên trục lệch tâm sẽ gắn một cảm biến trục lệch tâm Cảm biến này hoạt động dựa trên hiệu ứng từ điện trở:

Một dây dẫn sắt từ thay đổi điện trở của nó khi từ trường tác dụng thay đổi vị trí của nó Khi trục quay, các đường sức từ của nam châm cắt vật liệu dẫn từ trong cảm biến Mọi sự thay đổi

về điện trở cảm biến sẻ gửi về cho bộ điều khiển động cơ

Một phần được coi là quan trọng nhất của hệ thống Valvetronic đó là đòn dẩn trung gian Một đòn dẩn trung gian bao gồm: thân đòn dẩn và 2 con lăn, con lăn trên tiếp xúc với trục lệch tâm, con lăn dưới tiếp xúc với trục cam truyền thống Cả hai con lăn được duy trì tiếp xúc với cam bằng một lò xo(11), lò xo này được cố định ở đầu trước của đòn dẩn

Hình 2.2.5 Mô phỏng đòn dẩn trung gian

Bộ truyền động theo cam, truyền động bằng đòn dẩn trung gian trực tiếp thay đổi độ nâng của xupap Nó bao gồm một thân, một con lăn đặt phía dưới dòn đẩn trung gian, được kết nối với xupap bên trái và bên phải là bộ điều chỉnh van thủy lực

Hình 2.2.6 Mô phỏng bộ truyền động theo cam

Bộ điều chỉnh van thủy lực(HVA): Cấu trúc của HVA: dầu có thể đi vào bên trong (dưới áp suất, được tạo ra bởi bơm dầu).Trong những thời điểm, khi trục cam không mở van, HVA đảm bảo khoảng cách tự động “gần bằng không” giữa trục và van Khoảng cách B lớn gấp 2 lần khoảng cách A Đó không phải là sự ngẫu nhiên! Bằng cách đó, các kỹ sư BMW đã

cố gắng giảm tác động của các vấn đề về HVA đến hiệu suất của Valvetronic khi không hoạt động

Hình 2.2.7 Bộ điều chỉnh van thủy lực Trục vít bánh vít : Thường trục vít được làm bằng thép gắn liền với trục thiết bị truyền động, bánh vít thường được làm bằng đồng Trục vít truyền chuyển động từ thiết bị truyền động đến bánh vít để thay đổi độ nâng hạ xupap thông qua một trục lệch tâm

Bên cạnh đó còn có các thiết bị điện tử để điều khiển Valvetronic như : thiết bị điều khiển hành trình xupap đã được tích hợp vào ECM (hệ thống điều khiển động cơ), Động cơ VVT được điều khiển trực tiếp bởi ECM động cơ này được điều khuyển thông qua một relay nằm trong E-Box, cảm biến trục lệch tâm (đã đề cập ở trước) và van nạp dự phòng trong trường hợp Valvetronic bị lỗi

2.3 Nguyên lý hoạt động

Sự kết hợp giữa hiệu chỉnh trục cam biến thiên và hiệu chỉnh xupap biến thiên tạo nên một thống phân khí đa giai động, đa điểm trên động cơ N52 của BMW Độ nâng hạ xupap trong khoảng 0.18mm đến 9.9mm Khoảng thay đổi trục cam nạp 120o – 50o, Khoảng thay đổi trục cam nạp 115o – 60o

Hình 2.3.1 Sự kết hợp giữa hiệu chỉnh trục cam biến thiên và hiệu chỉnh xupap biến thiên

2.3.1 Nguyên lý hiệu chỉnh trục cam biến thiên(Vannos kép, tham khảo)

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 piston Khi áp lực thủy lực tác dụng lên piston sẽ làm trục này

di chuyển dọc trục

Trục C là trục cam

Hình 2.3.2 Cấu tạo 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 piston (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

Làm sớm thời điểm phối khí : khi dòng dầu tác dụng trực tiếp lên mặt trước của piston 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

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 piston để làm trễ, sớm hay giữ nguyên thời điểm phối khí

2.3.2 Nguyên lý hiệu chỉnh xupap biến thiên

Khi xe hoạt động, từ các cảm biến như tốc độ động cơ, tải, nhiệt độ nước làm mát, vị trí bàn đạp ga gửi dử liệu về hệ thống điều khuyển Sau đó tính toán và điều khiển động cơ Valvetronic Bánh vít xoay trục lệch tâm cùng hoặc ngược chiều kim đồng hồ với một tốc độ rất nhanh thông qua một trục vít gắn trực tiếp vào động cơ Valtronic Qua đó, làm cho đòn dẩn trung gian đặt gần hoặc xa hơn xo với thùy trục cam Khi trục cam quay thùy trục cam

quay và đòn dẩn trung gian ấn vào bộ chuyển động theo cam, roller finger được đệm bởi HVA

sẽ mở xupap nạp, tùy thuộc vào vị trí của đòn dẩn trung gian mà xupap mở ít hay nhiều Lò

xo đòn dẩn nằm trên mỗi đòn dẩn trung gian sẻ duy trì sự tiếp xúc liên tục với trục cam với đòn dẩn trung gian

Hình 2.3.3 Cơ cấu Valvetronic khi nâng xupap ít nhất là nhiều nhất Khi tải nhẹ, tín hiệu từ các cảm biến như tốc độ động cơ, tải, nhiệt độ nước làm mát, vị trí bàn đạp ga gửi về hệ thống điều khiển sau đó hệ thống tính toán và điều khiển mô tơ điện quay làm trục lệch tâm quay theo lúc này vấu cam tác dụng vào đòn dẫn thông qua bộ truyền động theo cam (đòn gánh) làm cho xupap mở với hành trình nhỏ, độ nâng của xupap nhỏ nhất khoảng (0,18 mm ứng với Valvetronic II) làm tiết diện lưu thông nhỏ , hòa khí vào xylanh ít dẩn đến công suất động cơ nhỏ

Khi tải lớn , Mô tơ quay trục lệch tâm ở vị trí mở lớn nhất do đó độ nâng xupap là lớn nhất làm cho tiết diện lưu thông qua các xupap lớn nhất, độ nâng của xupap lớn nhất khoảng