Báo cáo nghiên cứu Động cơ đốt trong FreeValve Lý Vĩnh Đạt SPKT

Ô tô (Vehicle) là một trong những phương tiện đường bộ nói riêng và di chuyển nói chung chiếm tỉ phần nhiều nhất trong tất cả các loại phương tiện khác trên thế giới. Việc nhiên liệu đang dần cạn kiệt và vấn đề môi trường ngày càng phức tạp khiến cho các hãng ô tô thúc đẩy phát triển công nghệ có tính tiết kiệm nhiên liệu cao và bảo vệ môi trường.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO

NGUYÊN LÝ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Đề tài: Tìm hiểu về hệ thống phân phối khí

không trục cam (Camless engine): FreeValve

Giảng viên HD: Lý Vĩnh Đạt Sinh viên thực hiện: Nguyễn Minh Tâm

MSSV: 19145458

Mục lục

1 Lý do sử dụng công nghệ

Ô tô (Vehicle) là một trong những phương tiện đường bộ nói riêng và di chuyển nói chung chiếm tỉ phần nhiều nhất trong tất cả các loại phương tiện khác trên thế giới

Việc nhiên liệu đang dần cạn kiệt và vấn đề môi trường ngày càng phức tạp khiến cho các hãng ô tô thúc đẩy phát triển công nghệ có tính tiết kiệm nhiên liệu cao và bảo vệ môi trường

Để thực hiện được thì các kỹ sư phải tối đa hóa được lượng nhiên liệu trong quá trình đốt và kiểm soát được lượng khí thải thải ra môi trường Vì thế các hệ thống kiểm soát nhiên liệu ở buồng đốt ra đời như là EMVA và EHV Mặc dù các

hệ thống kết quả tốt khi được sử dụng trong môi trường nghiên cứu, cả hai đều gặp phải các vấn đề khác nhau Hệ thống EMVA gặp phải các vấn đề cơ bản như mức

độ ồn cao, trong khi hệ thống EHVA có các vấn đề liên quan đến sự thay đổi nhiệt độ

Để khắc phục các yếu điểm này, hãng xe Koenigsegg đã cho ra mắt hệ thống FreeValve trên chiếc xe Gemera vào tháng 3 tại triển lãm Geneva International Motor Show 2020

Việc ra mắt động cơ FreeValve khiến cả cộng đồng xe của thế giới phải ngạc

giúp các van hoạt động riêng biệt, độc lập theo tua máy nhờ cảm biến và hỗ trợ của

AI với độ trễ 1/10ms Đây được cho là công nghệ của tương lai, bước ngoặt của ngành ô tô Hãy cùng tìm hiểu kĩ hơn ở bên dưới

2 Cấu tạo nguyên lí hoạt động

Hệ thống FreeValve là động cơ không dùng trục cam để đóng mở van, không chỉ loại bỏ trục cam, công nghệ này còn loại bỏ nhiều chi tiết khác như bướm ga,bộ tiền chuyển đổi xúc tác (Pre-Catalytic Converter), …

Động cơ sử dụng hệ thống FreeValve (Nguồn YouTube)

a Cấu tạo

Khác công nghệ van biến thiên hoạt động bằng điện từ (EVA) hoặc điện thủy lực, công nghệ FreeValve sử dụng điện, khí thủy lực (Electro – Hydraulic –

Pneumatic)

Phía trên của hệ thống này gồm 2 thanh ray (Rail) kết nối với dòng điện, rãnh chứa dầu và không khí

Thiết bị truyền động (Actuators) gồm các van được giữ và truyền động bằng thủy lực khí nén

* Rail:

Bao gồm 2 phần là phần điện tử và thanh ray chứ không khí và dầu:

Electronic connector (Nguồn YouTube)

Thanh chứa dầu và không khí (Nguồn YouTube)

*Actuators:

Các van sẽ được đẩy xuống nhờ hệ thống khí nén Hệ thống van được đẩy ngược về nhờ lò xo Bên cạnh đó cái van còn trang bị bộ cảm biến định vị để điều khiển độ đóng mở của xupap giúp cho mỗi xupap có thể điều chỉnh, kiểm soát được

thời điểm, chiều dài và thời gian mở tùy ý, độc lập thông qua sự hỗ trợ của AI với độ trễ

1/10ms

Việc làm cho các van thực sự hoạt động độc lập, nhất quán là mong muốn của hầu hết các kỹ sư công nghệ muốn thực hiện Nhờ có sự hoạt động độc lập đóng mở theo thời gian của các xupap làm cho động cơ ít tiêu hao nhiên liệu hơn, đặc biệt là giảm một lượng lớn khí thải NOx ra môi trường (25-30%) So với các

“đàn anh” thì FreeValve đã thực sự là bước ngoặt lớn về hệ thống động cơ không trục cam đặc biệt là sự hoạt động linh hoạt của các van nạp - xả

b Nguyên lý hoạt động

Hệ thống sử dụng 2 loại van điện từ cho mỗi xupap: van thời gian đóng mở (Timing solenoid) và van điều chỉnh độ dài của xupap (Lift solenoid)

Các thiết bị dẫn động van là pít-tông nhỏ Một luồng khí nén được đưa vào pít-tông đó sẽ mở xupap khi cần thiết Nó sau đó được thoát ra để đóng xupap bằng

lò xo của chính nó bằng cách giải phóng không khí, hoặc nó có thể được điều khiển

mở xupap thông qua một bể chứa dầu Sau đó, dầu được giải phóng thông qua một

lỗ nhỏ, điều này làm cho xupap không bị đóng đột ngột và đảm bảo xupap không

đâm vào vị trí của nó một cách nghiêm trọng Ngoài ra còn có một đường dẫn khí ở phía bên kia của truyền động pít-tông có thể đẩy nhanh việc đóng xupap

Hệ thống van thủy

lực của FreeValve (Nguồn YouTube)

* Quá trình mở Van điện từ không khí áp suất cao (High pressure Air) và van một chiều Dầu được mở cho phép không khí đi vào buồng khí nén và do đó đẩy piston van xuống

Vì không khí có thể nén được, dầu trong buồng thủy lực sẽ khóa piston ở lực nâng cần thiết Vị trí này được giữ lâu nhất theo yêu cầu, do đó, giữ cho van luôn

mở Lò xo đóng vai trò như một tấm đệm để tránh hư hỏng khi van đóng

*Quá trình đóng

Van điện từ thoát khí áp suất thấp và dầu mở ra để giải phóng áp suất Piston của van được đẩy trở lại bằng lực lò xo Trong quá trình này, một van xả trong khoang dầu cũng được mở ra để van có thể đóng tối đa

3 Ưu - nhược điểm

a Ưu điểm

Với việc lược bỏ trục cam, bướm ga,bộ tiền chuyển đổi xúc tác

(Pre-Catalytic Converter), … sẽ làm cho động cơ nhẹ hơn đi khoảng 15% (20kg) so với các loại động cơ khác

Các thiết bị truyền động làm di chuyển các van được vận hành với độ chính xác cực cao, vượt trội hơn đáng kể so với độ chính xác của động cơ truyền thống nhờ các cảm biến và hỗ trợ của AI

Việc các van hoạt động độc lập và đóng mở linh hoạt tạo ra rất nhiều ưu điểm nổi bật:

• Đóng xupap xả sớm, giúp làm mát khí Điều đó làm giảm NOx

mà thông thường hình thành ở nhiệt độ cao

• Tiết kiệm xăng lên đến 30% qua việc điều khiển xupap đóng mở khiến nhiên liệu không bị dư thừa trong quá trình đốt cháy ngoài ra hệ thống cũng cho phép cải thiện sự tiết kiệm trong các trường hợp hoạt động ở dải công suất thấp bằng cách tắt các xi lanh riêng lẻ, bằng cách đóng các xupap

và ngắt nguồn cung cấp nhiên liệu (Chi tiết hơn: Khoảng 0-100km/h hệ thống sẽ ngắt điện 4 piston, đóng xupap và ngưng cung cấp nhiên liệu, ở khoảng 150km/h thì cả 8 piston mới hoạt động cùng lúc)

• Mô-men xoắn thấp có được khả năng tăng mạnh (lên đến 45% trong động cơ thử nghiệm) vì turbo không bị trễ, cũng như cộng hưởng cổng nạp tốt hơn Với khả năng kiểm soát đốt cháy tốt hơn nhiều, hệ thống có thể kiểm soát tốt hơn việc nén và cho phép boost nhiều hơn trước khi bị knock (kích nổ)

• Công suất tối đa tăng theo tỷ lệ tương tự, vì biên dạng của xupap cũng được tối ưu hóa cho điều đó - thậm chí còn nhiều hơn cả biên dạng cam của động cơ xe đua

• Ngoài ra để khởi động, động cơ có thể chỉ chạy một xi-lanh ở mức tua cao hơn, do đó, nó làm ấm nhanh hơn và làm nóng chất xúc tác trước khi các xi-lanh khác được đưa vào hoạt động Nó cũng có thể bơm động cơ mà không cần đánh lửa trong vài giây, làm nóng xi lanh bằng cách nén một mình

b Nhược điểm

Cần các bộ phận có độ chính xác cao và sản xuất đắt tiền

Chi phí tổng thể của hệ thống quá cao không phù hợp với việc sử dụng đại trà cho các ô tô thương mại

Cơ chế này vẫn chưa được phát triển đầy đủ và cần nghiên cứu thêm

Nhận xét:

Nhược điểm của FreeValve cũng là ưu điểm của các hãng Camless Engine khác như hệ thống Continuously Variable Valve Duration (CVVD) của Hyundai không thể ứng dụng đại trà, thương mại mặc dù có quá nhiều ưu điểm nêu trên Rào cản lớn nhất là công nghệ quá phức tạp làm giá độn lên quá cao khiến cho hệ thống này của Koenigsegg chưa tiếp cận được với nhiều đối tượng

4 Lịch sử cải tiến và Định hướng phát triển

a Lịch sử phát triển

Freevalve đã nghiên cứu động cơ này từ năm 2000:

Động cơ Freevalve - Engine đầu tiên được giới thiệu vào 2003

(Nguồn: www.freevalve.com/about-us)

Mãi đến năm 2020 sau 20 năm cải tiến thì Hệ thống FreeValve mới thực sự hoàn thiện trên Gemera trên động cơ 2 lít, 3 xylanh được trình làng vào tháng 3 năm 2020:

b Định hướng phát triển trong tương

FreeValve đang bắt

hãng xe Qoros cho các dòng

xe thấp hơn, giá cả phải chăng hơn cho dòng động cơ 1.6 lít, 4 xy lanh với nhiều cải tiến để phù hợp thương mại hóa công nghệ của mình

Qoros 3 freevalve (Nguồn https://motorchase.com)

Trong tương lai, mặc dù động cơ điện sẽ thay thế động cơ đốt trong nhưng ở thời điểm này, động cơ đốt trong vẫn chiếm một vị thế rất lớn trong ngành công

nghiệp ô tô Vì thế công nghệ FreeValve của Koenigsegg vẫn có thể phát triển thêm 20-30 năm nữa

Việc ra mắt hệ thống Camless Engine đã không còn xa lạ với các hãng ô tô lớn trên thế giới, nhưng việc loại bỏ hoàn toàn trục cam thì chưa có hãng nào làm được ngoại trừ FreeValve của Koenigsegg.Đây là một công nghệ mang tính đột phá toàn cầu, điều này khiến cho ngành ô tô phát triển thêm một bước ngoặt lớn nữa

c Tình hình sử dụng hiện tại và tương lai ở Việt Nam

Hiện tại ở Việt nam chưa có ai sở hữu chiếc Gemera (thực ra là đặt rồi nhưng chưa về) Điều này cũng cho thấy phân khúc sử dụng công nghệ FreeValve quá cao, không phù hợp với đại đa số người trên không chỉ Việt Nam mà cả thế giới

Tương lai nếu hợp tác thành công với Qoros thì công nghệ này sẽ dễ dàng tiếp cận hơn vì phù hợp với phân khúc

5 Tài liệu tham khảo

a YouTube

Xe24h:

www.youtube.com/channel/UCJosJRsuF8ZHy-g2XmZAlsQ THEDRIVE:

www.youtube.com/channel/UC5rBpVgv83gYPZ593XwQUsA Engineering Explained:

www.youtube.com/watch?v=FJXgKY2O4po

b Web

www.freevalve.com

www.autoweek.com

www.autonews.com

www.mecar.vn

xehay.vn

tech.hyundaimotorgroup.com