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

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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

-  - 

BÁO CÁO CÔNG NGHỆ ĐỘNG CƠ KHÔNG TRỤC CAM

MỤC L C Ụ

DANH MỤC HÌNH ẢNH 4

DANH M C TỤ Ừ VIẾT TẮT 5

A PHẦN M Ở ĐẦU 6

1 Lý do ch ọn đề tài: 6

2 M c tiêu nghiên cụ ứu: 6

3 Phương pháp nghiên cứu: 6

4 K ết cấu đề tài: G m 7 mồ ục lớn: 6

B PHẦN N I DUNG 7Ộ 1 Khái quát v ề động cơ không trụ c cam: 7

2 L ch s cị ử ải tiến: 9

3 C ấu tạ o và nguyên lý hoạt đ ng:ộ 11

3.1 C ấu tạ o: 11

3.2 Nguyên lý hoạ t đ ng:ộ 12

4 Nh ững lợi ích n i b ổ ật củ a Camless Engine so với động cơ truyền th ống: 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

4.3 Hi u suệ ất cải thiện: 17

4.4 Thi t k ế ể nhỏ ọn: g 18

5 Ưu và nhược điểm của động cơ không trục cam: 19

5.1 Ưu điểm: 19

5.2 Nhược điểm: 21

6 Ứng dụng động cơ không trụ c cam trên các hãng ô tô: 21

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

NHẬN XÉT C A GI NG VIÊN Ủ Ả

Điểm:

Ký tên

PGS.TS LÝ VĨNH ĐẠT

DANH M C HÌNH Ụ ẢNH

Hình 1: C u t o c a Xupapấ ạ ủ ……… 7

Hình 2: C u t o h ấ ạ ệ thố ng 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 không khí và dả ứ ầu……… 11

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

Hình 7: B truyộ ền động điệ ừ………11 n t Hình 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 th ống Freevalve………19

Hình 14: Mô ph ng h ỏ ệ thống bướ m ga………20

Hình 15: Biểu đồ nhiệt độ khí n ạp……… 21

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

A PH N M Ầ Ở ĐẦ U

1 Lý do ch ọn đề tài:

- Ngành công nghi p ôtô ngày càng phát triệ ển và đã áp dụng nhi u công ngh hi n ề ệ ệđại Nhìn chung, ngành công 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 bcông 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 vềmôn 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

B PH N N I DUNG Ầ Ộ

1 Khái quát v ề động cơ không trụ c 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 ô tô thúc đẩy công 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 ệtrong 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 ảnăng độc đáo để có thể kiểm soát 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 ệthống quyết định dựa trên điều kiện lái xe, s dủ ụng để ối đa hóa hiệu suất hoặc gi m thi t ả ểu

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 vđộng cơ mà lần lượt cung cấp các lợi ích hiệu suất đáng k ể

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

Động cơ không 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 ồchất

- Động cơ diesel hạng nặng trong xe tải và xe buýt có thể chạy mà không c n ầphanh x ả

- Cho phép ng d ng Turbo không có c ng thứ ụ ổ ải

- Cho phép v n hành 2 thì tậ ở ốc độ vòng/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 ửdụng 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 ểthương mại hóa một công 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 hoàn toàn

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

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, đểphát 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 ọcải thiện hiệu suất động cơ, giảm lượng khí thải và tăng sản lượng điện, FreeValve sẵn sàng đóng một vai trò 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

3 C ấu tạ o 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 không 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 dầu và không khí

- Thiết b truyị ền động (Actuators): gồm các van được giữ và truyền động bằng thủy lực khí nén

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 không cam hoạt động mà không 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 không 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 ếcác thông s khác nhau cố ủa động cơ, bao gồm tốc độ ả, t i tr ng và nhiọ ệt độ ủa động cơ cDựa 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 sẽgửi 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

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 không 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 độđộng cơ thấp, động cơ có thể gi van m ữ ở lâu hơn để cải thi n luệ ồng không khí và tăng mô-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 Nh ững lợi ích n i b ổ ật củ a Camless Engine so với động cơ truyền th ống:

4.1 C i thi n kh ả ệ ả năng khởi động:

Động cơ không 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 không 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 soát 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 không 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

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 không 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 ấđộng cơ và động cơ không 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 không 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 ợcủa động cơ không trục cam đối với một ứng d ng c thể sẽ ph thu c vào nhiều yếu tố ụ ụ ụ ộkhác 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

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 ằphương 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 không 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 ấnhiệt 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 ảmang l i nh ng l i ích giạ ữ ợ ống như xe hybrid điện như Toyota Prius và Honda Insight, nhưng không 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 ằcách 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:

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 không trục cam có th gi m t n th t do ể ả ổ ấbơm động cơ bằng cách nhanh chóng đóng van nạp và van xả khi không cần thiết Điều này làm giảm lượng không 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 không 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 ểthành phần động cơ và cải thiện hi u qu ệ ả

Nhìn chung, động cơ không 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 công nghệ để s d ng r ng rãi ử ụ ộ