Động cơ không trục cam camless engine

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
----------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỘNG CƠ KHƠNG TRỤC CAM
CAMLESS ENGINE

SVTH :

NGUYỄN HỒNG LONG

MSSV :

13145143

SVTH :

NGUYỄN HẢI NGHIÊM

MSSV :

13145174

GVHD :

TS. NGUYỄN VĂN TRẠNG

Tp Hồ Chí Minh, tháng 1 năm 2018

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô

Tên đề tài

ĐỘNG CƠ KHÔNG TRỤC CAM
CAMLESS ENGINE

SVTH :

NGUYỄN HOÀNG LONG

MSSV :

13145143

SVTH :

NGUYỄN HẢI NGHIÊM

MSSV :

13145174

GVHD :

TS. NGUYỄN VĂN TRẠNG

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 1 năm 2018


TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TP. HỒ CHÍ MINH

Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
TP. Hồ Chí Minh, ngày ….. tháng ..… năm ……

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: 1. ..................................................... MSSV: .......................................
2. ...................................................... MSSV: .......................................
Chuyên ngành: .... .......................................................... Mã ngành đào tạo: ......................
Hệ đào tạo: .......... .......................................................... Mã hệ đào tạo: ............................
Khóa: ................... .......................................................... Lớp: ............................................
1. Tên đề tài
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
2. Nhiệm vụ đề tài
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................

..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
3. Sản phẩm của đề tài
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
4. Ngày giao nhiệm vụ đề tài:.. ............................................................
5. Ngày hồn thành nhiệm vụ: ............................................................
TRƯỞNG BỘ MƠN

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
Tên đề tài: ....................................................................................................................
.....................................................................................................................
Họ và tên Sinh viên: ...................................................... MSSV: ...............................
...................................................... MSSV: ...............................
Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô
I. NHẬN XÉT
1. Về hình thức trình bày & tính hợp lý của cấu trúc đề tài:

......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................

2. Về nội dung (đánh giá chất lượng đề tài, ưu/khuyết điểm và giá trị thực tiễn)

......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
II. NHỮNG NỘI DUNG CẦN ĐIỀU CHỈNH, BỔ SUNG
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
III. ĐỀ NGHỊ VÀ ĐÁNH GIÁ
1. Đề nghị (cho phép bảo vệ hay không): .. ..............................................................
2. Điểm đánh giá (theo thang điểm 10): .... ..............................................................

Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20…
Giảng viên hướng dẫn
(Ký & ghi rõ họ tên)


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

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN
Tên đề tài: ....................................................................................................................
....................................................................................................................
Họ và tên Sinh viên: ...................................................... MSSV: ...............................
...................................................... MSSV: ..............................
Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô

I. NHẬN XÉT
1. Về hình thức trình bày & tính hợp lý của cấu trúc đề tài:

......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
2. Về nội dung (đánh giá chất lượng đề tài, ưu/khuyết điểm và giá trị thực tiễn)

......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................

II. NHỮNG NỘI DUNG CẦN ĐIỀU CHỈNH, BỔ SUNG
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................

III. ĐỀ NGHỊ VÀ ĐÁNH GIÁ
1. Đề nghị (Cho phép bảo vệ hay không): ................................................................
2. Điểm đánh giá (theo thang điểm 10): ...................................................................

Tp. Hồ Chí Minh, ngày

tháng

Giảng viên phản biện
(Ký & ghi rõ họ tên)

năm 20…


LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, chúng em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đóng góp
ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cơ, gia đình và bạn bè.
Với lịng biết ơn sâu sắc chúng em xin gởi lời cảm ơn chân thành đến các quý thầy cô
trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.Hồ Chí Minh nói chung, các thầy cơ Bộ mơn Động Cơ
thuộc khoa Cơ Khí Động Lực nói riêng đã truyền đạt cho chúng em kiến thức đại cương và
chuyên ngành, giúp chúng em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ
chúng em trong suốt q trình học tập và tích lũy kiến thức chuyên ngành.
Đặc biệt, chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến thầy Nguyễn Văn Trạng, người
thầy đã hướng dẫn và định hướng đồ án này.
Do hiểu biết và thời gian vẫn còn hạn chế, trong đồ án này nhóm em khơng thể tránh khỏi
những sai sót. Nhóm rất mong được q thầy, cơ góp ý để chúng em điều chỉnh và hoàn thiện
đề tài.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!

TP.Hồ Chí Minh, tháng 1 năm 2018
Nhóm thực hiện đề tài

6


LỜI NĨI ĐẦU
Ơ tơ đã trở thành phương tiện quan trọng khơng thể thiếu trong cuộc sống ngày nay. Ngồi
những cơng dụng như vận chuyển người và hàng hóa thì nó vẫn tồn tại một số nhược điểm cơ
bản như tiêu hao nhiên liệu cao trong khi nguồn dầu mỏ đang cạn kiệt dần và nhất là gây ô
nhiễm môi trường. Để khắc phục những nhược điểm trên đã có rất nhiều cải tiến trong động
cơ đốt trong như hệ thống phun nhiên liệu và đánh lửa bằng điện tử , cải tiến trong hệ thống

nạp và thải của động cơ. Hiện nay, các sản phẩm khoa học công nghệ dù đã được cải tiến và
đổi mới nhiều, song phần lớn vẫn sử dụng những công nghệ cũ, lạc hậu. Việc đổi mới công
nghệ so với mặt bằng chung vẫn còn chậm. Trong điều kiện nền kinh tế còn nhiều khó khăn,
việc đầu tư vào nghiên cứu và đổi mới công nghệ bị hạn chế khiến cho các sản phẩm khoa học
và công nghệ vẫn bị tụt hậu. Trong những năm gần đây, nền khoa học - kỹ thuật trên thế giới
đã phát triển vô cùng mạnh mẽ với nhiều thành tựu rực rỡ trong tất cả các lĩnh vực đời sống
và xã hội, đặc biệt là trong lĩnh vực công nghệ ô tô.
Động cơ đốt trong dần bị thay thế bởi động cơ điện và xe ô tô truyền thống được thay thế
bởi xe lai (hybrid electric vehicle), do tác động của tiến bộ khoa học và tiêu chuẩn khí thải
nghiêm ngặt tại nhiều quốc gia. Do vậy việc phát triển động cơ đốt trong để trở nên tốt hơn và
thân thiện hơn là vấn đề cần thiết cho tương lai sau này. Chính vì lý do đó nhóm chúng em đã
chọn đề tài “Động cơ không trục cam - Camless Engine” nhằm hướng đến một tương lai của
động cơ đột trong có hiệu suất, cơng suất cao và thân thiện với môi trường.
Qua đồ án này, chúng em sẽ trình bày một số tính năng nổi bật cũng như cấu tạo, sự vận
hành của động cơ để từ có có thể đóng góp phần nào cho việc nghiên cứu, phát triển và học
tập cho tương lai.
Phương pháp nghiên cứu trong đồ án này chủ yếu là: kế thừa và phân tích, tổng hợp, đánh
giá và đưa ra nhận xét.
Xuyên suốt đồ án nhóm em có tham khảo và sử dụng tài liệu của những những đề án nghiên
cứu khác của những chuyên gia dựa trên cơ sở kế thừa và phân tích.

7


TÓM TẮT
Trong bài nghiên cứu này, chúng em tập trung vào các vấn đề chính như sau:
 Tổng quan về động cơ khơng trục cam.
 Tóm tắt sơ lược về lịch sử hình thành, những cơng trình nghiên cứu loại động cơ
không trục cam.
 Những ưu điểm nổi bật và khuyết điểm của động cơ.

 Tổng quan về cấu tạo, nguyên lý hoạt động chung của động cơ.
 Phân tích các chu trình và so sánh với động cơ đốt trong thông thường
 Mô phỏng các giai đoạn làm việc của công nghệ không trục cam sử dụng cơ cấu
EPVA
 Thách thức và tiềm năng phát triển ứng dụng cho tương lai.
 Kết luận và đề nghị.
Vì đây là động cơ vẫn còn đang được nghiên cứu và phát triển hoàn thiện thêm chưa được
ứng dụng một cách rộng rãi nên mục tiêu cuối cùng của nhóm là xây dựng lại tổng thể dựa
trên những cơng trình nghiên cứu đã đươc chứng minh bằng thực nghiệm. Từ đó cấu trúc lại
và hoàn chỉnh các nội dung cơ bản nhất về động cơ khơng trục cam. Qua đó có thể bổ sung,
đóng góp làm tài liệu tham khảo cho các cơng trình nghiên cứu tiếp theo.

8


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................................... 6
LỜI NÓI ĐẦU .......................................................................................................................... 7
TÓM TẮT ................................................................................................................................. 8
MỤC LỤC................................................................................................................................. 9
CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................................................ 11
DANH MỤC CÁC HÌNH ....................................................................................................... 12
DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................................... 14
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI .............................................................................. 15
1.1

Lý do chọn đề tài ....................................................................................................... 15

1.2

Khái niệm vệ hệ thống phối khí cơ bản ..................................................................... 16

1.2.1

Khái niệm về hệ thống phối khí.......................................................................... 17

1.2.2

Phân loại hệ thống phối khí ................................................................................ 17

1.2.3 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của một số hệ thống phân
phối khí phổ biến trên động cơ đốt trong hiện nay .......................................................... 18
1.2.4 So sánh ưu nhược điểm của Hệ thống phân phối khí xupap treo
loại OHC và OHV ............................................................................................................ 21
1.3

Một số hệ thống phối khí thơng minh mà các hãng xe đang sử dụng ....................... 22

1.3.1

Hệ thống phân phối khí thơng minh trên xe Toyota ........................................... 22

1.3.2

Hệ thống phân phối khí thơng minh trên xe Honda ........................................... 24

1.3.3

Hệ thống MIVEC của hãng Mitsubishi .............................................................. 26

1.3.4

Hệ thống VANOS và valvetronic trên xe BMW ................................................ 28

1.4

Khái niệm về động cơ không trục cam và quá trình phát triển ................................. 29

1.4.1

Khái niệm về động cơ khơng trục cam ............................................................... 29

1.4.2

Q trình phát triển của động cơ khơng trục cam .............................................. 30

1.4.3

Chu trình động cơ không trục cam ..................................................................... 33

1.4.4

Những ưu điểm và nhược điểm của động cơ không trục cam ............................ 36

CHƯƠNG 2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ CẤU TẠO CHI TIẾT CỦA HỆ THỐNG
PHÂN PHỐI KHÍ TRÊN ĐỘNG CƠ KHƠNG TRỤC CAM ............................................... 37
9

2.1

Cơ cấu van điều khiển động cơ không trục cam ....................................................... 37

2.1.1

Công nghệ Freevalve EPVA............................................................................... 37

2.1.2

Van điều khiển bằng điện từ (Electro-magnetic Valve Actuator) ...................... 42

2.1.3

Van điều khiển bằng điện thủy lực (Electro-hydraulic Valve Actuator )........... 44

2.1.4

Van điều khiển bằng cơ điện (Electro-mechanical Valve Actuator) .................. 45

2.2

Ảnh hưởng của việc thay đổi pha phân phối khí tới hiệu quả động cơ ..................... 46

2.2.1

Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm mở xupap xả (EVO) ............................ 47

2.2.2

Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm đóng xupap xả (EVC) ......................... 48

2.2.3

Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm mở xupap nạp (IVO) ........................... 50

2.2.4

Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm đóng xupap nạp (IVC) ........................ 50

CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH TÍNH NĂNG CỦA ĐỘNG CƠ KHƠNG
TRỤC CAM ............................................................................................................................ 52
3.1

Khái quát ................................................................................................................... 52

3.2 Mô phỏng động cơ không trục cam với hệ thống điều khiển phối khí
bằng khí nén (Electro pneumatic valve actuator) ................................................................ 52
3.2.1

Giai đoạn mở van ................................................................................................ 59

3.2.2

Giai đoạn nâng van ............................................................................................. 59

3.2.3

Giai đoạn đóng van ............................................................................................. 62

3.2.4

Hấp thụ khơng khí .............................................................................................. 62

3.3

Mơ phỏng chế độ hoạt động của valve ...................................................................... 63

3.3.1

Các kết quả thu được ở từng vòng tua máy khác nhau....................................... 65

3.3.2

Các kết quả khi thay đổi cung cấp áp suất .......................................................... 66

3.4

Bước đáp ứng khi thay đổi các thông số Step Response ........................................... 67

3.5

Mức tiêu thụ năng lượng của EPVA ......................................................................... 68

3.6

Khả năng vận hành của động cơ................................................................................ 70

CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ .............................................................................. 75
4.1

Những kết luận về động cơ không trục cam .............................................................. 75

4.2

Đề Nghị...................................................................................................................... 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................................... 76

10


CÁC CHỮ VIẾT TẮT
VTEC

Variable Valve Timing and Lift Electronic Control

VVT

Variable Valve Timing

VVT-i

Variable Valve Timing Intelligent

ECU

Engine Control Unit

EPVA

Electronic Pneumatic valve actuation

TS

Timing Solenoid

LS

Lifting Solenoid

EMVT

Electromagnetic Valve Train

EVO

Exhaust Valve Opening

EVC

Exhaust Valve Closing

CA

Crank Angle

CAD

Crank Angle Degree

ATDC

After Top Dead Center

BDC

Bottom Dead Center

IC

Internal Combustion

EGR

Exhaust Gas Recirculation

IV

Intake Valve

EV

Exhaust Valve

IVO

Intake Valve Opening

IVC

Intake Valve Closing
11


DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang
Hình 1.1 Cấu tạo của hệ thống dẫn động cam bằng bánh răng..........................................18
Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống phối khí dẫn động bằng bánh răng ..............19
Hình 1.3 Dẫn động cam bằng đai răng ..............................................................................19
Hình 1.4 Dẫn động cam bằng xích.....................................................................................19
Hình 1.5 Trục cam đơn đặt trên nắp xylanh ......................................................................20
Hình 1.6 Hai trục cam đặt trên nắp xylanh ........................................................................20
Hình 1.7 Hệ thống VVT-i của Toyota ...............................................................................22
Hình 1.8 Hướng điều khiển làm sớm (advance) hoặc làm trễ (retard) thời điểm
phân phối khí ......................................................................................................................23
Hình 1.9 Ngun lí hoạt động cơ bản của hệ thống VTEC ...............................................24
Hình 1.10 Ngun lí hoạt động của hệ thơng MIVEC ......................................................26
Hình 1.11 Hệ thống MIVEC tại 2 chế độ mở van khác nhau ............................................27
Hình 1.12 Hệ thống VANOS sử dụng trên xe của BMW..................................................28
Hình 1.13 Động cơ Freevalve ............................................................................................30
Hình 1.14 Cấu tạo các bộ phận ..........................................................................................31
Hình 1.15 Cơ cấu điều khiển van bằng khí nén .................................................................32
Hình 1.16 Cấu tạo cơ cấu điều khiển van bằng khí nén ....................................................33
Hình 1.17 Q trình hoạt động của động cơ 4 kỳ: hút (a) - nén (b) - nổ (c) - xả (d) .........34
Hình 1.18 Đồ thị Áp suất-Thể tích (P-V) chu trình Atkinson trên lý thuyết .....................35
Hình 2.1 Bộ truyền động van tự do với piston...................................................................38
Hình 2.2 Cấu tạo chi tiết của van .......................................................................................38
Hình 2.3 Trạng thái nạp khơng khí của van .......................................................................39
Hình 2.4 Mối quan hệ giữa tín hiệu solenoid và sự chuyển động của van ........................40

Hình 2.5 Chu trình giãn nở ................................................................................................41
12


Hình 2.6 Chu trình xả khí...................................................................................................42
Hình 2.7 Cấu tạo của van điện từ .......................................................................................43
Hình 2.8 Nguyên lý hoạt động của van điện từ .................................................................44
Hình 2.9 Thời điểm van đóng ............................................................................................45
Hình 2.10 Thời điểm van mở .............................................................................................46
Hình 2.11 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm mở xupap xả ......................................48
Hình 2.12 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm đóng xupap xả ...................................49
Hình 2.13 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm mở xupap nạp ....................................50
Hình 2.14 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm đóng xupap nạp .................................51
Hình 3.1 Đồ thị đặc tính cơng suất ....................................................................................57
Hình 3.2 Đồ thị đặc tính mơ men .......................................................................................58
Hình 3.3 Tín hiệu Solenoid và van chuyển động tại vịng tua 1500 rpm ..........................64
Hình 3.4 Van nâng đến 6mm tại vịng tua 1000 rpm .........................................................65
Hình 3.5 Van nâng 6mm tại vịng tua 2000 .......................................................................65
Hình 3.6 Tốc độ động cơ tại 1000, 1500, 2000 và 2500 vg/ph, van nâng 6 mm...............66
Hình 3.7 Thay đổi cung cấp áp suất bằng 6 bar .................................................................66
Hình 3.8 Áp lực cung cấp 8 bar .........................................................................................67
Hình 3.9 Bước thay đổi thơng số khi yêu cầu thay đổi chiều cao nâng van ......................68
Hình 3.10 Đồ thị thể hiện giảm tiêu hao nhiên liệu của động cơ camless .........................69
Hình 3.11 Khả năng giảm tiêu hao nhiên liệu của động cơ khơng trục cam .....................70
Hình 3.12 So sánh hiệu năng của động cơ không trục cam và động cơ Vtec ....................71
Hình 3.13 Khả năng vận hành của động cơ khơng trục cam .............................................72
Hình 3.14 So sánh góc van mở ở tốc độ động cơ thấp ......................................................73
Hình 3.15 So sánh công suất động cơ giữa động cơ camless và động cơ thơng thường ...73
Hình 3.16 So sánh mô men xoắn giữa động cơ camless và động cơ thông thường ..........74

13


DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1 So sánh hệ thống phân phối khí xupap treo loại OHC và OHV .........................21
Bảng 3.1 Thông số động cơ của xe Saab 9 và Audi A6 ....................................................52
Bảng 3.2 Các thông số khảo sát được từ xe Saab 9 ...........................................................52
Bảng 3.3 Các thông số khảo sát được từ xe Audi A6 ........................................................56
Bảng 3.4 Thời gian trễ của bộ truyền động........................................................................59
Bảng 3.5 Tốc độ đóng van .................................................................................................62
Bảng 3.6 Dữ liệu đầu ra cảm biến vị trí và phạm vi đo .....................................................64
Bảng 3.7 Mức tiêu thụ nhiện liệu của EPVA.....................................................................69

14


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1 Lý do chọn đề tài
Ơ tơ ngày nay đã trở thành một phương tiên cần thiết khơng gì thay thế được trong xã
hội loài người. Hàng năm tỉ lệ tăng trưởng trong sản xuất của nó xấp xỉ 3% trên năm. Trên
thế giới hiện nay có khoảng một tỷ chiếc ơ tơ lưu thông trên đường và hầu hết đều chạy
bằng nhiên liệu hóa thạch. Động cơ đốt trong chính là cỗ máy hùng mạnh nhất trong lịch
sử thế giới. [12]. Tỉ lệ tăng trưởng này hình thành nên mạng lưới vận chuyển khổng lồ bằng
ô tô và đồng thời đảm nhận vận chuyển 2/3 lượng người đi lại và luân chuyển hàng hóa.
So với các phương tiện giao thơng khác ơ tơ chiếm vị trí vơ cùng quan trọng.
Tuy vậy, cùng với sự tăng trưởng ngày càng nhiều về số lượng ô tô, một mâu thuẫn
mới nảy sinh trong sự phát triển của xã hội lồi người. Đó là sự ơ nhiễm bầu khí quyển do
khối khí thải có chứa các độc tố của ô tô thải ra. Sự ô nhiễm do các độc tố của ô tô thải ra
đã trờ thành nguồn ơ nhiễm chính đối với mơi trường sống hiện nay, đặc biệt là tại các

thành phố lớn thì sự ô nhiễm xảy ra càng nghiêm trọng hơn. Tổ chức Y tế thế giới kết luận
khí thải carbon là nguy cơ môi trường lớn nhất đe dọa sức khỏe của con người. Ơ nhiễm
khơng khí ngồi trời khiến 3,7 triệu người chết mỗi năm. Một nghiên cứu khác cho thấy
khí thải từ xe hơi khiến 53.000 người Mỹ thiệt mạng mỗi năm, lớn hơn cả con số 34.000
người chết vì tai nạn giao thơng.
Chính điều này đã đặt ra nhiều thách thức cho các nhà nghiên cứu về thiết kế phát triển
động cơ và hơn hết là làm sao tìm ra các giải pháp thay thế công nghệ để phát triển nguồn
năng lượng tái tạo sạch. Công nghệ ngày càng phát triển liệu làm sao để có thể phát triển
một loại động cơ mới hiệu năng, công suất cao, sử dụng được nhiều loại nhiên liệu khác
nhau nhưng phải đảm bảo được lượng khí thải ra mơi trường ít nhất và hạn chế làm ô nhiễm
môi trường.
Động cơ đốt trong là nguồn động cơ chính cho các xe ơ tơ và xe tải trong hơn một thế
kỷ qua. Ngày nay, xu hướng dịch chuyển từ động cơ chạy bằng xăng và piston sang chạy
bằng điện và pin đang ngày càng rõ nét. Tuy nhiên việc sản xuất thương mại hàng loạt của
các xe dùng điện vẫn còn rất nhiều hạn chế và chưa thật sự khả thi để có thể thay thế hoàn
15


tồn động cơ đốt trong. Do đó việc cải tiến động cơ đốt trong sao cho phù hợp, tiết kiệm
nhiên liệu để đáp ứng những quy định ngày càng nghiêm ngặt của pháp luật về khí thải, các
nhà nghiên cứu trên thế giới đã nghĩ đến việc cải tiến công nghệ trong động cơ đốt trong
truyền thống.
Một trong những yếu tố chủ yếu để cải thiện động cơ là quá trình trao đổi khí. Đầu vào
của khơng khí và đầu ra của khí thải được điều khiển bằng các van, và trong hầu hết các
động cơ đốt trong, các hoạt động này được thực hiện bởi trục cam. Tuy nhiên, điều này có
nghĩa là động cơ chỉ có thể được tối ưu hóa cho một tốc độ động cơ nhất định và tải trọng
và tăng hiệu quả đáng kể có thể đạt được nếu thời gian đóng mở van có thể thay đổi.
Có thể áp dụng thời điểm van biến đổi dựa trên trục cam (VVT, V-TEC, MIVEC…),
tuy nhiên các hệ thống này có giới hạn do cơ cấu cơ học của nó và do đó khơng hồn tồn
tối ưu. [2]

Chính vì lẽ đó mà có một giải pháp hồn tồn mới được đưa ra đó là loại bỏ trục cam
và sử dụng điện khí nén hoặc điện thủy lực để tạo ra một bộ điều khiển van biến đổi hồn
tồn cho mỗi chu kỳ. Chính việc loại bỏ đi trục cam giúp mang lại một diện mạo mới cho
động cơ đốt trong. [3]
Động cơ không trục cam sử dụng các cơ cấu điện từ, thủy lực khí nén để dẫn động
xupap thay thế cho trục cam là một trong những động cơ mới, hiệu suất cao, thiết bị chuyển
đổi năng lượng, đã được nghiên cứu do những lợi thế tiềm năng của nó về hiệu suất nhiệt,
phát thải thấp và khả năng đa nhiên liệu so với động cơ thơng thường. Đó chính là lý do
nhóm em chọn nghiên cứu đề tài này nhằm đóng góp phần nhỏ cơng sức vào nền công
nghệ ô tô nước nhà thêm một phát triển.
1.2 Khái niệm vệ hệ thống phối khí cơ bản
Để tìm hiểu cơ cấu hoạt động của động cơ không trục cam, trước hết ta đi vào định
nghĩa hệ thống phối khí cơ bản và những kiểu xe đang sử dụng cơ cấu này. Từ đó so sánh
với cơ cấu phối khí của động cơ khơng trục cam để chứng minh rằng động cơ không trục
cam là động cơ có tiềm năng trong tương lai thay vì sử dụng động cơ đốt trong thông
thường.

16


1.2.1 Khái niệm về hệ thống phối khí
Hệ thống phân phối khí dùng để nạp đầy hỗn hợp hịa khí đối với động cơ xăng hay
khơng khí sạch đối với động cơ diesel vào các xylanh ở kỳ nạp và thải sạch khí thải trong
xylanh ở kỳ xả.
1.2.2 Phân loại hệ thống phối khí
Hệ thống phân phối khí dùng cam và xupap được dùng phổ biến trên ĐCDT do kết
cấu đơn giản và dễ dàng điều chỉnh.
Phân loại dựa theo cách bố trí xupap ta có hai loại:
1. Kiểu xupap treo: là loại được lắp với mặt xupap quay xuống dưới hướng vào đỉnh
pít-tơng, đi xupap quay lên trên và được lò lo giữ ở dạng treo nên được goi là xupap treo.

Loại này có được nhiều ưu điểm hơn như tỷ số nén cao hơn, số vòng quay động cơ cao,
hiệu suất động cơ cao… Các động cơ hiện nay hầu như sử dụng loại xupap treo.
2. Kiểu xupap đặt: là loại được lắp với mặt xupap hướng lên trên (hướng lên nắp
máy), đuôi xupap hướng xuống dưới (hướng về phía lốc máy) được goi là xupap đặt, loại
này thể tích bng đốt lớn và tỷ số nén thấp và hiệu suất động cơ thấp, số vòng quay động
cơ cũng thấp, đây là thiết kế động cơ kiểu cũ và hiện nay gần như khơng cịn thiết kế động
cơ theo kiểu này.
Phân loại dựa theo cách bố trí trục cam ta có hai loại:
3. Loại OHV (OverHead Valve): trục cam đặt dưới thân máy, xupap bố trí trên nắp
máy và được điều khiển qua con đội, đũa đẩy và cị mổ.
4. Loại OHC (OverHead Camshaft): loại có một trục cam đặt trên nắp máy SOHC
(Single OverHead Camshaft) và hai trục cam đặt trên nắp máy DOHC (Double OverHead
Camshaft) điều khiển trực tiếp xupap hoặc thơng qua cị mổ.
 Hệ thống phân phối khí dùng pittơng đóng mở các cửa nạp và cửa thải thường
được dùng trên động cơ 2 kỳ, có ưu điểm kết cấu đơn giản khơng phải điều chỉnh sửa chữa
nhưng chất lượng trao đổi khí khơng tốt
 Hệ thống phân phối khí dùng van trượt trên xe đặc chủng và xe đua có tiết diện
thơng qua lớn, chất lượng trao đổi khí cao nhưng giá thành chế tạo cao.

17


 Hệ thống điều khiển xupap bằng điện từ EVA (Electro-magnetic Valve Actuation
Systems). ECU nhận tín hiệu từ các cảm biến điều khiển cuộn solenoid hay nam châm điện
đóng mở trực tiếp xupap, hệ thống này không sử dụng trục cam và có thể thay đổi được
thời điểm, thời gian và độ nâng xupap một cách tối ưu tùy thuộc vào các chế độ hoạt động
của động cơ. Hệ thống này cũng là một trong ba loại điều khiển của động cơ khơng trục
cam mà nhóm sẽ trình bày kỹ sau đây.
1.2.3 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của một số hệ thống phân phối khí phổ biến
trên ĐCDT hiện nay

1.2.3.1 Hệ thống phân phối khí xupap treo loại dẫn động bằng bánh răng

Hình 1.1 Cấu tạo của hệ thống dẫn động cam bằng bánh răng
Nguyên lý làm việc: trục cam nằm trong thân máy và được dẫn động trực tiếp bằng
bánh răng hoặc qua xích. Khi trục cam quay làm cho bề mặt làm việc của cam tác động
vào con đội đẩy đũa đẩy đi lên làm cò mổ xoay quanh trục của nó. Đầu kia của cị mổ ấn
đi xupap đi xuống, lúc này lị xo bị nén lại. Xupap đi xuống làm thông của nạp với xylanh
18


động cơ nếu trong kỳ hút hoặc cửa thải với xylanh động cơ nếu trong kỳ xả. Khi cam quay
hết hành trình tác dụng thì lị xo sẽ dãn ra đóng xupap lại kết thúc q trình hút hoặc thải.
Q trình này diễn ra liên tục khi động cơ hoạt động, mỗi một chu kỳ xupap hút và xả chỉ
mở một lần.

Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống phối khí dẫn động bằng bánh răng
Ngồi ra ở hệ thống phối khí xupap treo cịn có các kiểu dẫn động như:

Hình 1.3 Dẫn động cam bằng đai răng

Hình 1.4 Dẫn động cam bằng xích
19


1.2.3.2 Hệ thống phân phối khí xupap treo loại OHC

Hình 1.5 Trục cam đơn đặt trên nắp xylanh

Hình 1.6 Hai trục cam đặt trên nắp xylanh
20

1.2.4 So sánh ưu nhược điểm của Hệ thống phân phối khí xupap treo loại OHC và
OHV
Bảng 1.1 So sánh hệ thống phân phối khí xupap treo loại OHC và OHV
Ưu điểm

Hệ thống

Nhược điểm

- Kết cấu các bộ phận dẫn động - Kết cấu thân động cơ phức
đơn giản (khoảng cách giữa cam- tạp. Cần nhiều chi tiết trung
trục khuỷu không lớn)
OHV

gian để dẫn động trục cam và

- Bề mặt công tác của cam và con xupap treo, lực quán tính sẽ rất
đội được bơi trơn tốt nhờ dầu vung lớn, gây tiếng ồn lớn
toé trong hộp cácte
- Cơ cấu phối khí trở nên đơn giản - Kết cấu dẫn động sẽ rất phức
hơn, nắp máy nhỏ gọn hơn, dễ điều tạp (nếu nhiều xupap trên một
chỉnh khe hở nhiệt, giảm được lực xi lanh). Sử dụng trục cam đơn

SOHC hoặc
OHC

quán tính, các tổn hao cơ khí và kích để dẫn động cả xupap nạp và
thước lò xo xupap, cho phép tăng xupap xả sẽ không thuận lợi

tốc độ động cơ

cho các hệ thống điều khiển
đóng

- Kết cấu cơ cấu phân phối khí sẽ - Khối lượng hệ thống phân
đơn giản hơn. Khơng gian phía trên phối khí tăng, kết cấu phức tạp,
nắp máy cũng rộng rãi hơn thuận tốn nhiều công suất quay trục
tiện cho việc thiết kế các góc đặt cam và giá thành cao
DOHC

xupap, tăng kích thước xupap, đảm
bảo hình dáng buồng cháy được tối
ưu, dễ dàng áp dụng các hệ thống
điều khiển đóng mở xupap thơng
minh
21


1.3 Một số hệ thống phối khí thơng minh mà các hãng xe đang sử dụng
1.3.1 Hệ thống phân phối khí thơng minh trên xe Toyota
Hệ thống VVT (Variable Valve Timing) đã được sử dụng rộng khắp và được nhiều
công ty sản xuất ô tô áp dụng cách đây cũng hơn 40 năm. Hệ thống VVT đơn giản đã được
sử dụng và đem lại kết quả khả quan. Bộ chấp hành của hệ thống VVT-i bao gồm bộ điều
khiển VVT-i dùng để xoay trục cam nạp, áp suất dầu dùng làm lực xoay cho bộ điều khiển
VVT-i, và van điều khiển để điều khiển đường đi của dầu
Bộ điều khiển bao gồm một vỏ được dẫn động bởi xích cam và các cánh gạt được cố
định trên trục cam nạp. Áp suất dầu đi từ phía làm sớm hay làm muộn trục cam nạp sẽ xoay
các cánh gạt của bộ điều khiển VVT-i để thay đổi liên tục thời điểm phối khí của trục cam
nạp.

Khi động cơ ngừng, trục cam nạp chuyển động đến trạng thái muộn nhất để duy trì khả
năng khởi động. Khi áp suất dầu khơng truyền đến bộ điều khiển VVT-i ngay lập tức, sau
khi động cơ khởi động, chốt hãm sẽ hãm các cơ cấu hoạt động của bộ điều khiển VVT-i để
tránh tiếng gõ.

Hình 1.7 Hệ thống vvt-i của Toyota
22




Nguyên lý hoạt động của van điều phối :

Van điều phối trục cam hoạt động theo sự điều khiển (tỷ lệ hiệu dụng, điều xung PWM)
từ ECU động cơ để điều khiển vị trí của van ống và phân phối áp suất dầu cấp đến bộ điều
khiển VVT-i để làm sớm hay làm muộn góc mở xupap nạp. Khi động cơ ngừng hoạt động,
thời điểm phối khí xupap nạp được giữ ở góc muộn tối đa. Van điều phối kiểm soát điều
khiển áp suất dầu đến bộ điều khiển VVT-i tương ứng với độ lớn dịng điện từ ECU động
cơ.

Hình 1.8 Hướng điều khiển làm sớm (advance) hoặc làm trễ (retard) thời điểm
phân phối khí
Bộ điều khiển VVT- i quay trục cam nạp tương ứng với vị trí nơi mà đặt áp suất dầu
vào, để làm sớm, làm muộn hoặc duy trì thời điểm phối khí. ECU động cơ tính tốn thời
điểm đóng mở van tối ưu dưới các điều kiện hoạt động khác nhau theo tốc độ động cơ, lưu
lượng khí nạp, vị trí bướm ga và nhiệt độ nước làm mát để điều khiển van điều khiển dầu
phối khí trục cam. Hơn nữa ECU dùng các tín hiệu từ cảm biến vị trí trục cam và cảm biến
vị trí trục khuỷu để tính tốn thời điểm phối khí thực tế và thực hiện điều khiển phản hồi
để đạt được thời điểm phối khí chuẩn.
23

 Phương pháp thay đổi thời điểm phối khí:
Sử dụng áp suất thủy lực điều khiển bằng van điện từ để xoay trục cam nạp. Có thể
xoay trục cam một góc 400 so với góc quay trục khuỷu để đạt thời điểm phối khí tối ưu
dựa vào cảm biến và được điều khiển bằng ECU.
1.3.2 Hệ thống phân phối khí thông minh trên xe Honda
Hệ thống điều khiển xupap biến thiên của hãng HONDA mang tên công nghệ VTEC
(Variable Valve Timing and Lift Electronic Control System) do Ikuo Kajtani phát minh.
VTEC có những đặc trưng kỹ thuật mà có thể thay đổi thời gian mở xupap và độ nâng của
xupap phụ thuộc vào các thông số tốc độ động cơ, tốc độ di chuyển của xe, nhiệt độ nước
làm mát và tải động cơ... Khả năng này làm cho đặc tính sự cháy có thể đáp ứng được các
điều kiện hoạt động của động cơ, vì vậy vừa tiết kiệm nhiên liệu vừa đạt được hiệu suất
cao và giảm thiểu khí thải gây ơ nhiễm mơi trường.
Mỗi xupap trong động cơ được điều khiển bởi một số vấu cam với biên dạng riêng
biệt. Tất cả các cam đó đều được lắp đặt trên một trục cam và hệ thống điều khiển điện tử
điều khiển hoạt động của chúng dựa trên các điều kiện hoạt động của động cơ bằng cách
dùng áp suất thủy lực. Tùy theo điều kiện làm việc cụ thể của động cơ mà sử dụng loại vấu
cam phù hợp.

Hình 1.9 Ngun lí hoạt động cơ bản của hệ thống VTEC
24


Các dạng VTEC: hiện nay có 6 dạng hệ thống VTEC kết cấu tuy khác nhau nhưng nói
chung chúng giống nhau về mặt nguyên lý vì tất cả đều sử dụng loại trục cam có vấu kép,
một vấu dùng khi tốc độ thấp và một vấu dùng ở tốc độ cao. Ở dải tốc độ thấp, các xupap
mở ít và thời gian mở ngắn lại do biên dạng của vấu cam giảm.


DOHC VTEC: Ứng dụng này của công nghệ VTEC có các cam tốc độ cao và tốc

độ thấp với các biên dạng khác nhau, được áp dụng trên cả trục cam nạp và trục cam xả.
Khi tốc độ động cơ thấp và trung bình, các xupap nạp và xupap xả được điều khiển bởi
các cam tốc độ thấp. Các cam tốc độ cao sẽ điều khiển các xupap này khi tốc độ động cơ
cao. Sự phối hợp hoạt động của các cam này cho phép động cơ tạo được mơ men lớn ở tốc
độ vịng tua thấp và cơng suất cao ở tốc độ vòng tua cao.


SOHC VTEC: Cũng giống như DOHC, cam tốc độ thấp điều khiển các xupap khi

tốc độ động cơ thấp và trung bình, và cam tốc độ cao điều khiển khi tốc độ động cơ cao.
Nhưng với SOHC thì điều này chỉ áp dụng cho các xupap nạp, kỹ thuật này giúp động cơ
có được công suất cao và tiết kiệm nhiên liệu.


New VTEC: Các cam tốc độ cao và tốc độ thấp với các biên dạng khác nhau được

áp dụng với các trục cam nạp, cam tốc độ cao được dùng khi tốc độ vòng tua cao trong
khi cam tốc độ thấp được dùng khi tốc độ vịng tua thấp và trung bình. Nhưng trong sự áp
dụng này các xupap nạp thứ cấp được giữ cố định với độ nâng nhỏ để hòa khí khơng đọng
lại trên ống góp hút khi tốc độ xe thấp trong khi các xupap nạp cơ bản cung cấp khơng khí
chủ yếu cho các xylanh. Kết hợp với sự tinh tế trong hình dáng của các buồng đốt và các
đường ống góp, việc này tạo ra một vịng chuyển động xoáy trong mỗi buồng đốt để làm
cho sự cháy đạt hiệu quả hơn. Động cơ New VTEC có thể tạo ra công suất và mô men lớn
trong khi vẫn tiết kiệm nhiên liệu.


VTEC ba giai đoạn: Ba giai đoạn khác nhau của hệ thống VTEC tương ứng cho

tốc độ thấp (một xupap được điều khiển bởi cam tốc độ thấp), tốc độ trung bình (tất cả các
xupap được điều khiển bằng cam tốc độ trung bình), và tốc độ cao (tất cả các xupap được
điều khiển bởi cam tốc độ cao). Sự thiết kế này cho phép động cơ sử dụng nhiên liệu hiệu
quả ở tốc độ vòng tua thấp, tạo được mô men lớn ở tốc độ vịng tua trung bình, cơng suất
cao ở tốc độ vịng tua cao.
25