Báo cáo công nghệ động cơ không trục cam (camless engine)

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.1 MB, 24 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

2. M c tiêu nghiên cụ ứu: ... 6

3. Phương pháp nghiên cứu: ... 6

4. Những lợi ích n i bổ ật của Camless Engine so với động cơ truyền thống: ... 13

4.1. C i thi n khả ệ ả năng khởi động: ... 13

4.2. Gi m tiêu th nhiên liả ụ ệu: ... 14

6. Ứng dụng động cơ không trục cam trên các hãng ô tô: ... 21

7. Quan điểm cá nhân: ... 23 TÀI LIỆU THAM KH O ... 24Ả

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

NHẬN XÉT C A GI NG VIÊN ỦẢ

Điểm:

Ký tên

PGS.TS. LÝ VĨNH ĐẠT

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

DANH M C HÌNH ỤẢNH

Hình 1: C u t o c a Xupapấ ạ ủ ………...7

Hình 2: C u t o h ấ ạ ệ thống phân ph i khí FreeValveố ……….8

Hình 3: Christian von Koenigsegg gi i thiớ ệu động cơ không trục cam FreeValve v i th gi i..9. ớ ế ớ Hình 4: Thanh ray và thi t b truyế ị ền động……….11

Hình 5: R nh ch a khơng khí và dả ứ ầu………..11

Hình 6: Lị xo khí nén và c m biả ến………..11

Hình 7: B truyộ ền động điệ ừ………11 n tHình 8: B ộ điều khiển điệ ửn t ECU……….12

Hình 9: Chu k ỳ chế độ nhi t c a FreeValve so v i Camshaftsệ ủ ớ ………..13

Hình 10: Biểu đồ tiêu hao năng lượng của động cơ………....14

Hình 11: Biểu đồ tiêu th nhiên li u c a FreeValveụ ệ ủ ………16

Hình 12: Sơ đồ cho thấy sự cải thiện hiệu suất của Quoros………..18

Hình 13: Sơ đồ minh h a s khác bi t v ọ ự ệ ề kích thước gói giữa đầu DOHC điển hình và đầu v i h ớ ệ thống Freevalve………19

Hình 14: Mơ ph ng h ỏ ệ thống bướm ga………20

Hình 15: Biểu đồ nhiệt độ khí nạp………....21

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

DANH MỤC TỪ VIẾT T T Ắ

PHEA: Pneumatic Hydraulic Electric Actuation VTEC: Variable Valve Timing and Lift Electronic Control

VANOS: Variable nockenwellen steuerung

VVEL: Variable Valve Event and Lift system

MIVEC: Mitsubishi Innovative Valve Timing Electronic Control-System ECU: Electronic Control Unit

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

A. PH N M ẦỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài:

- Ngành công nghi p ôtô ngày càng phát triệ ển và đã áp dụng nhi u công ngh hi n ề ệ ệ đại. Nhìn chung, ngành cơng nghiệp này hiện đang chuyển mình theo nhu cầu khách hàng và s ự tiến b c a công ngh . V i mong mu n hi u biộ ủ ệ ớ ố ể ết rõ hơn về ự s nh ng cữ ải tiến nổi ất này, em đã chọn công nghệ không trục cam (Camless engine) – một trong những b cơng nghệ mang tính thay đổi vượt bậc trong tương lai.

2. M c tiêu nghiên cụ ứu:

Giúp bản thân trang b và h ị ệ thống lại kiến thức, lý luận và đánh giá khác quan về môn h c nguyên ọ lý động cơ đốt trong. Đồng thời vận d ng ki n th c vào viụ ế ứ ệc học, liên hệ với thực tiễ ừ đó nhìn lạn t i và hoàn thi n bệ ản thân hơn.

3. Phương pháp nghiên cứu:

- Những l i ích nợ ổi bậ ủa động cơ không trụt c c cam so với động cơ truyền th ng. ố - Ưu và nhược điểm của động cơ không trục cam.

- ng d ng c a công ngh Ứ ụ ủ ệ lên các hãng ô tô. - Quan điểm cá nhân.

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

B. PH N N I DUNG ẦỘ

1. Khái quát về động cơ không trục cam:

Việc nhiên liệu đang dần c n ki t và vạ ệ ấn đề môi trường ngày càng ph c t p khiứ ạ ến cho các hãng ơ tơ thúc đẩy cơng ngh có tính ti t ki m nhiên li u cao và b o v ệ ế ệ ệ ả ệ môi trường. Để kh c phắ ục điểm yếu này, các kỹ sư đã không ngừng nghiên c u và phát tri n công ngh ứ ể ệ trong động cơ đốt trong.

Trong nên công nghi p ô tô, tr c cam là m t b ph n không thệ ụ ộ ộ ậ ể thiếu trong mỗi động cơ đốt trong, vì vậy để ối ưu hóa hoạt độ t ng của các van nạp và van xả, các hãng xe lần lượt cho ra mắt công nghệ trục cam biến thiên (Variable camshaft) giúp tăng giảm thời gian đóng mở van tùy theo tình trạng làm việc của động cơ ( van mở ớn xe tăng tộ l c hoặc leo dốc và m cở ửa phải khi trên đường b ng hoằ ặc leo dốc ). Honda đi tiên phong với công nghệ VTEC, Toyota có VVT-i, BMW có VANOS, NISSAN có VVEL, Mitsubishi có MIVEC….

Đối v i công ngh ớ ệ động cơ không trục cam này, m i van n p và van x s ỗ ạ ả ẽ được tích hợp một bộ phận bơm thủ ực được điềy l u khi n bể ằng điệ ửn t . Hệ thống này cung c p kh ấ ả năng độc đáo để có thể kiểm sốt độc lập các van nạp và xả.

Hình 1: C u t o c a Xupap ấ ạ ủ

Đố ới v i b t kì tấ ải động cơ nào, thời gian n p và x có th ạ ả ể được lập trình độc lập. H ệ thống quyết định dựa trên điều kiện lái xe, s dủ ụng để ối đa hóa hiệu suất hoặc gi m thi t ả ểu

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

tiêu th nhiên li u và khí thụ ệ ải. Điều này cho phép m t mộ ức độ ể ki m soát lớn hơn đố ới i v động cơ mà lần lượt cung cấp các lợi ích hiệu suất đáng k . ể

Hình 2: C u t o h ấ ạ ệ thống phân ph i khí FreeValve ố

Động cơ khơng trục cam là một loại động cơ đốt trong sử dụng điều khiển van điện tử thay vì trục cam và van cơ học truy n thề ống. Hệ thống điều khiển van điệ ửn t cho phép kiểm soát chính xác hơn lượng khí nạp và khí thải của động cơ, giúp cải thiện hiệu suất, công suất và lượng khí thải.

Freevalve cho phép thời gian van tối ưu cho hiệu suất thể tích tở ất cả RPM, cùng: - Sử d ng quán tính cụ ủa người chạy n p ạ ở tất cả RPM.

- Loại bỏ 100% c n mặ ở ọ ốc độ và ti t ải trọng. - Tăng hiệu suất thể tích.

- Giảm ho c loặ ại bỏ tiếng gõ ngay c vả ới tỷ ố s nén cao.

- Cho phép khởi động ngu i xuộ ống âm 30 độ C đối v i nhiên li u c n nguyên ớ ệ ồ

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

- Cho phép v n hành 2 thì tậ ở ốc độ vịng/phút thấp hơn trong các ứng dụng được tăng cường.

- Cho phép v n hành nhiên li u linh hoậ ệ ạt ở ức độ chưa từ m ng thấy trước đây. - Chuyển đổi thông minh giữa các chế độ hi u chu n dệ ẩ ựa trên môi trường - Phát triển các cài đặt hi u su t tệ ấ ối ưu dựa trên hành vi của trình điều khiển đã

học

Mặc dù có nhi u lề ợi ích, nhưng động cơ FreeValve vẫn đang trong giai đoạn phát triển ban đầu và chưa được phổ biến rộng rãi trên các phương tiện. Tuy nhiên, khi công nghệ tiếp t c phát tri n, có khụ ể ả năng chúng ta ẽ thấ s y nhiều động cơ FreeValve được s ử dụng trên các phương tiện trên khắp thế giới.

2. L ch s cị ử ải tiến:

FreeValve là m t công ty Thộ ụy Điển được thành lập vào năm 2000 bởi doanh nhân và nhà phát minh Christian von Koenigsegg. Tr ng tâm chính c a công ty là phát tri n và ọ ủ ể thương mại hóa một cơng nghệ mang tính cách mạng gọi là hệ thống FreeValve, thay thế trục cam truy n thề ống trong động cơ đốt trong b ng b truyằ ộ ền động khí nén, cho phép điều chỉnh và nâng van biến thiên hồn tồn.

Hình 3: Christian von Koenigsegg gi i thiớ ệu động cơ không trục cam FreeValve v i th gi i. ớ ế ớ

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

Ý tưởng về hệ thống FreeValve bắt nguồn từ niềm đam mê kỹ thuật của von Koenigsegg và mong muốn t o ra mạ ột động cơ hiệu quả hơn và thân thiện với môi trường hơn. Trục cam truyền thống có cấu hình thời gian và độ nâng van cố định, điều này có thể dẫn đến hoạt động và khí thải của động cơ không hiệu quả. Mặt khác, hệ thống FreeValve cho phép điều khiển chính xác các van của động cơ, giúp cải thiện hiệu quả sử dụng nhiên liệu, giảm lượng khí thải và tăng sản lượng điện.

FreeValve bắt đầu n l c nghiên c u và phát triỗ ự ứ ển vào năm 2001, và vào năm 2014, công ty đã ra mắt nguyên mẫu hoạt động đầu tiên của hệ thống FreeValve trong động cơ Koenigsegg CCX. Hệ thống này sau đó đã được thử nghi m trên nhi u loệ ề ại động cơ khác, bao g m c Saab 9-5 và Qoros 3 sedan. ồ ả

Vào năm 2016, FreeValve đã công bố h p tác v i nhà phát tri n Trung Qu c Qoros ợ ớ ể ố để phát triển một công cụ sẵn sàng sản xuất cho hệ thống FreeValve. Động cơ kết quả, được gọi là động cơ Qamfree, xuất hi n lệ ần đầu vào năm 2018 trên chiếc hatchback Qoros 3. Động cơ Qamfree được ca ngợi vì c i thi n hi u su t nhiên liả ệ ệ ấ ệu, lượng khí th i thả ấp hơn và tăng công suất so với động cơ truyền thống.

FreeValve ti p tế ục hợp tác với các nhà sản xuất khác, bao gồm Geely và Scania, để phát tri n và hoàn thiể ện hơn nữa hệ thống FreeValve. Vào năm 2019, FreeValve đã công bố Thiết b truyị ền động Khí nén-Thủy lực-Điện (PHEA) FreeValve, tích h p thi t b truy n ợ ế ị ề động khí nén v i thiết b truyớ ị ền động hệ thống thủy lực và điện, cho phép ki m soát tể ốt hơn các van của động cơ.

Ngày nay, FreeValve vẫn đi đầu trong đổi m i công nghớ ệ động cơ và hệ thống FreeValve c a nó có tiủ ềm năng cách mạng hóa ngành công nghi p ô tô. V i tr ng tâm là ệ ớ ọ cải thiện hiệu suất động cơ, giảm lượng khí thải và tăng sản lượng điện, FreeValve sẵn sàng đóng một vai trị quan tr ng trong quá trình chuyọ ển đổi sang một tương lai giao thông bền v ng và thân thiữ ện với môi trường hơn.

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt đ ng:ộ

3.1. Cấu tạo:

Hình 4 Thanh ray và thi t b truy: ế ị ền động Hình 5: R nh ch a khơng khí và d u ả ứ ầ - Phía trên của hệ thống này g m 2 thanh ray (Rail) kồ ết nối với dòng điện, rãnh chứa

- ECU s d ng ng d ng trí tu nhân t o AI vử ụ ứ ụ ệ ạ ới độ trễ 1/10ms trong điều khi n s ể ự làm vi c c a xupap. ệ ủ Đây là công nghệ điều khi n m tể ở ừng van độc l p mà không ph ậ ụ thuộc vào b t kì y u t nào. Là công ngh duy nh t cho phép ki m soát thấ ế ố ệ ấ ể ời điểm, chi u dài, thề ời gian đóng mở của van.

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

So với các “đàn anh” thì FreeValve đã thực s ự là bước ngo t l n v h ặ ớ ề ệ thống động cơ không trục cam đặc biệt là sự hoạt động linh hoạt của các van nạp - x . ả

3.2. Nguyên lý hoạt động:

Động cơ khơng cam hoạt động mà khơng có cơ chế trục cam truyền thống được sử dụng trong h u hầ ết các động cơ đốt trong. Thay vì d a vào trự ục cam để điều khi n viể ệc đóng mở van, động cơ khơng trục cam s d ng b truyử ụ ộ ền động điện tử hoặc cơ khí để điều khiển trực tiếp các van.

Hoạt động cơ bản của động cơ không trục cam bao gồm một lo t c m bi n giám sát ạ ả ế các thông s khác nhau cố ủa động cơ, bao gồm tốc độ ả, t i tr ng và nhiọ ệt độ ủa động cơ. c Dựa trên thông tin này, bộ điều khiển động cơ (ECU) nhận thông tin t nhi u c m biừ ề ả ến khác nhau, ch ng hẳ ạn như cảm bi n v trí tr c cam và c m bi n vế ị ụ ả ế ị trí bướm ga, sau đó sẽ gửi tín hiệu đến bộ truyền động điện tử hoặc cơ khí, từ đó điều khiển việc mở và đóng van nạp và van x cả ủa động cơ.

Hình 8: B ộ điều khiển điệ ửn t ECU

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

ECU s d ng các thu t toán tiên tiử ụ ậ ến để xác định thời điểm và độ nâng van tối ưu cho các điều ki n vận hành hiệệ n t i củạ a động cơ.

Một trong những ưu điểm chính của động cơ khơng trục cam là nó cho phép điều chỉnh và nâng van biến thiên, nghĩa là động cơ có thể điều ch nh thỉ ời điểm van và nâng khi đang di chuyển để ối ưu hóa hiệ t u suất cho các điều kiện lái khác nhau. Ví dụ, ở tốc độ động cơ thấp, động cơ có thể gi van m ữ ở lâu hơn để cải thi n luệ ồng khơng khí và tăng mơ-men xo n. tắ Ở ốc độ động cơ cao, các van có thể đóng nhanh hơn để gi m t n thả ổ ất bơm động cơ và tăng công suất.

4. Những lợi ích n i bổ ật của Camless Engine so với động cơ truyền thống:4.1. C i thi n kh ả ệ ả năng khởi động:

Động cơ khơng trục cam có thể cải thiện khả năng khởi động so với động cơ trục cam truy n th ng trong m t sề ố ộ ố trường h p nhợ ất định. Điều này là do động cơ khơng trục cam có kh ả năng kiểm soát thời gian và độ nâng c a các van mủ ột cách độ ập, điềc l u này có thể cho phép kiểm sốt chính xác hơn hành trình nạp và x . ả

Một thách th c ph bi n khi khứ ổ ế ởi động động cơ trục cam truy n th ng là c n phề ố ầ ải vượt qua lực cản của hỗn h p nhiên liệu-khí nén trong xi lanh. Điều này có thợ ể đặc biệt khó khăn trong thời tiết lạnh, khi nhiên liệu có thể khơng dễ bay hơi và pin có thể bị giảm dung lượng.

Hình 9: Chu k ỳ chế độ nhi t c a FreeValve so v i Camshafts ệ ủ ớ

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

Trong động cơ không trục cam, các van có thể được điều khiển để cho phép hành trình n p ngạ ắn hơn hoặc dài hơn, tùy thuộc vào các điều kiện. Điều này có th giúp giể ảm lực cản mà động cơ khởi động cần vượt qua, giúp khởi động động cơ dễ dàng hơn. Ngoài ra, các van có thể được điều chỉnh để ối ưu hóa hỗ t n h p khơng khí-nhiên li u khi khợ ệ ởi động, điều này có thể cải thiện hơn nữa khả năng khởi động.

Tuy nhiên, cần lưu ý rằng khả năng khởi động ch là mỉ ột khía cạnh của hiệu su t ấ động cơ và động cơ khơng trục cam có th mang l i nhể ạ ững ưu điểm hoặc nhược điểm khác tùy thu c vào ng d ng cộ ứ ụ ụ thể. Ví dụ, động cơ khơng trục cam có thể có chi phí ban đầu cao hơn do cần có bộ truyền động van điện tử và các hệ thống điều khiển liên quan. Họ cũng có thể có yêu c u bầ ảo trì cao hơn do sự ph c t p c a h ứ ạ ủ ệ thống. Cu i cùng, s phù h p ố ự ợ của động cơ không trục cam đối với một ứng d ng c thể sẽ ph thu c vào nhiều yếu tố ụ ụ ụ ộ khác nhau, bao g m các yêu c u v hi u su t cồ ầ ề ệ ấ ụ thể, điều ki n v n hành và các cân nhệ ậ ắc

về chi phí.

4.2. Gi m tiêu th nhiên liả ụ ệu:

Hình 10: Biểu đồ tiêu hao năng lượng của động cơ

Biểu đồ cho thấy năng lượng trong nhiên liệu được sử dụng như thế nào khi lái xe trong thành ph , v n còn r t nhi u tiố ẫ ấ ề ềm năng để ả c i thi n hi u qu . Hi u qu cệ ệ ả ệ ả ủa động cơ đốt trong sẽ cải thiện hơn nữa trong thập k tới so với hàng trăm năm trước. ỷ

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

Các y u tế ố đóng góp chính sẽ là s phát tri n c a các hự ể ủ ệ thống điều khiển điệ ửn t tiên tiến thông minh và b truyộ ền động. Freevalve đã phát triển mộ ố t s công nghệ để giảm mức tiêu th nhiên li u: ụ ệ

Sử d ng hụ ệ thống FreevalveTechnology để loạ ỏi b van tiết lưu và tắt xi lanh b ng ằ phương pháp gọi là "mô-men xoắn điều chỉnh" để cải thiện hiệu suất động cơ khi tải một phần. Với các khái niệm động cơ DEP hoặc HEGR, có thể tăng độ nén của động cơ mà khơng g p s c kích n . T lặ ự ố ổ ỷ ệ EGR tăng lên trong cả hai khái ni m s gi m th t thoát ệ ẽ ả ấ nhiệt đồng thời c i thiả ện quá trình đốt cháy.

Hệ thống hybrid khí nén cung c p mấ ột giải pháp r ẻ tiền và đáng tin cậy giúp loại bỏ tổn thất ở chế độ chờ/chạy không t i (17,2%) và tái tả ạo năng lượng phanh v i hi u qu cao ớ ệ ả (gần m t nộ ửa năng lượng s d ng khi lái xe trong thành ph ). Vử ụ ố ề cơ bản, gi i pháp này ả mang l i nh ng l i ích giạ ữ ợ ống như xe hybrid điện như Toyota Prius và Honda Insight, nhưng khơng tăng thêm chi phí, trọng lượng và độ phức tạp của bộ pin và động cơ điện.

Hệ thống hybrid hơi nước cung c p mấ ột cách để gi m t n thả ổ ất động cơ hơn nữa b ng ằ cách lo i b các h ạ ỏ ệ thống làm mát thông thường, thu hồi nhi t thệ ải từ khí thải và gi i thiớ ệu các chu k làm mát bên trong t o ra công vi c. Vi c tri n khai nh g n và ti t ki m chi phí ỳ ạ ệ ệ ể ỏ ọ ế ệ có thể đạt được bằng cách s d ng ph n cử ụ ầ ứng động cơ hiện có.

Đối với động cơ Qoros 1,6 lít 4 xi-lanh, mức tiêu thụ nhiên liệu đã giảm 15%, như thể hi n trong biệ ểu đồ bên dưới:

</div>Trang 16<div class="page_container" data-page="16">

Hình 11: Biểu đồ tiêu th nhiên li u c a FreeValve ụ ệ ủ

Giảm t n thổ ất do bơm động cơ: Động cơ khơng trục cam có th gi m t n th t do ể ả ổ ấ bơm động cơ bằng cách nhanh chóng đóng van nạp và van xả khi không cần thiết. Điều này làm giảm lượng khơng khí được hút vào động cơ trong kỳ ạ n p và giảm lượng khí thải bị thải ra trong k x . ỳ ả

Giảm ma sát: Động cơ khơng cam có thể giảm ma sát b ng cách lo i b ằ ạ ỏ trục cam và các b phộ ận liên quan. Điều này làm giảm lượng năng lượng c n thiầ ết để di chuy n các ể thành phần động cơ và cải thiện hi u qu . ệ ả

Nhìn chung, động cơ khơng cam có khả năng giảm đáng kể mức tiêu thụ nhiên liệu bằng cách c i thi n hi u suả ệ ệ ất động cơ. Tuy nhiên, công nghệ này vẫn còn tương đối mới và đắt ti n, c n nghiên c u và phát triề ầ ứ ển thêm để tối ưu hóa cơng nghệ để s d ng r ng rãi. ử ụ ộ

</div>Trang 17<div class="page_container" data-page="17">

4.3. Hi u suệ ất cải thiện:

Khơng có hệ thống truyền động van bi n thiên nào khác cung c p mế ấ ức độ ểm ki soát và độ tin cậy này c a chu kỳ đốt cháy. ủ

Cả van n p và van x ạ ả đều có thể đóng mở ở bất kỳ góc tr c khuụ ỷu mong mu n ố nào. Tính linh hoạt này cho phép động cơ mang lại mức tiêu thụ nhiên liệu và lượng khí thải thấp hơn, trong khi vẫn mang lại mô-men xoắn và mã lực cao hơn.

- Thời gian van tối ưu cho hiệu su t th ấ ể tích ở ất cả RPM t - Sử d ng quán tính cụ ủa người chạy n p ạ ở tất cả các RPM

- Với Thời gian Xả được Chia ra, có thể loại b 100 % c n mỏ ặ ở ọi tốc độ và tải trọng

- Tăng hiệu suất thể tích

- Giảm ho c loặ ại bỏ tiếng gõ ngay c vả ới tỷ ệ l nén cao

- Ở tốc độ RPM th p, vi c m van n p kép cung c p quán tính c a nấ ệ ở ạ ấ ủ gười chạy nạp tối đa với mức tăng nhiệt độ thấp giúp tăng hiệu suất thể tích lên đến 30% một cách hiệu qu ả

- Điều khi n thơng minh thích ng có th tể ứ ể ối ưu hóa việc m ở và đóng van để tăng hiệu suất

Nhìn chung, việc sử dụng động cơ khơng trục cam có th giúp c i thi n hi u suể ả ệ ệ ất về hi u qu , cơng su t, khí th i và các u c u b o trì. Khi cơng nghệ ả ấ ả ầ ả ệ tiếp tục phát tri n, ể chúng ta có thể mong đợi thấy hi u su t th m chí cịn lệ ấ ậ ớn hơn từ các động cơ không cam

</div>