Tiểu luận đề tài camless engine (động cơ không trục cam)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCMKHOA: CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

-oOo -TIỂU LUẬN

Đề tài: CAMLESS ENGINE(Động Cơ Không Trục Cam)

GVHD: TS Lý Vĩnh Đạt

SVTH: Nguyễn Đức Dũng MÃ SINH VIÊN: 22145336

TP HCM, Tháng 3 Năm 2024

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN

MỤC LỤC

A PHẦN MỞ ĐẦU: 4

1 Lý do chọn đề tài 4

2 Mục tiêu nghiên cứu 4

3 Phương pháp nghiên cứu 4

i.Quá trình hoạt động của FreeValve 16

ii.Quá trình giảm chấn 18

4.Các loại truyền động van trong công nghệ Camless 18

a Truyền động van điện từ (EVA) 18

b Truyền động van điện – thủy lực 20

c Truyền động van điện – khí nén 22

5 Ưu và nhược điểm của camless engine 25

a Ưu điểm 25

b Nhược điểm 26

6 Ứng dụng của camless engine trên các hãng ô tô 26

7 Quan điểm cá nhân 27

TÀI LIỆU KHAM KHẢO 29

A.PHẦN MỞ ĐẦU1 Lý do chọn đề tài:

Ngành công nghiệp ôtô ngày càng phát triển và đã áp dụng nhiều công nghệ hiện đại Nhìn chung, ngành công nghiệp này hiện đang chuyển mình theo nhu cầu khách hàng và sự tiến bộ của công nghệ Với mong muốn hiểu biết rõ hơn về sự những cải tiến nổi bật này, em đã chọn công nghệ không trục cam (Camless engine) – một trong những công nghệ mang tính thay đổi vượt bậc trong tương lai.

2 Mục tiêu nghiên cứu:

Giúp bản thân trang bị và hệ thống lại kiến thức, lý luận và đánh giá khách quan về môn học nguyên lý động cơ đốt trong Đồng thời vận dụng kiến thức vào việc học, liên hệ với thực tiễn từ đó nhìn lại và hoàn thiện bản thân hơn.

3 Phương pháp nghiên cứu:

Sử dụng 2 phương pháp nghiên cứu chính:- Phương pháp phân tích tài liệu.- Phương pháp so sánh.

B PHẦN NỘI DUNG:1 Khái quát về camless engine:

Cam đã là một phần không thể thiếu của động cơ IC kể từ phát minh của nó Cam điều khiển “các kênh thở” của động cơ IC, tức là các van mà qua đó hỗn hợp không khí nhiên liệu (trong động cơ SI) hoặc không khí (trong động cơ CI) được cung cấp và khí thải thoát ra ngoài Bị bao vây bởi nhu cầu tiết kiệm nhiên liệu tốt hơn, nhiều năng lượng hơn và ít ô nhiễm hơn, các kỹ sư động cơ trên khắp thế giới đang theo đuổi một thiết kế không cam triệt để hứa hẹn mang lại sự cải thiện hiệu suất lớn nhất cho động cơ đốt trong trong nhiều năm Camless engine sẽ sớm trở thành hiện thực cho xe thương mại.

Hình 1: Trục cam

Trong nên công nghiệp ô tô, trục cam là một bộ phận không thể thiếu trong mỗi động cơ đốt trong, vì vậy để tối ưu hóa hoạt động 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 lớn xe tăng tộc hoặc leo dốc và mở cửa phải khi trên đường bằng hoặc leo dốc ) Honda đi tiên phong với công nghệ VTEC, Toyota có VVT-i, BMW có VANOS, NISSAN có VVEL, Mitsubishi có MIVEC….

Đối với camless engine, mỗi van nạp và van xả sẽ được tích hợp một bộ phận bơm thủy lực được điều khiển bằng điện tử Hệ thống này cung cấp khả năng độc đáo để có thể kiểm soát độc lập các van nạp và xả.

Hình 2: Cấu tạo của xú-pap

Đối với bất kì tải động cơ nào, thời gian nạp và xả có thể được lập trình độc lập Hệ thống quyết định dựa trên điều kiện lái xe, sủ dụng để tối đa hóa hiệu suất hoặc giảm thiểu tiêu thụ nhiên liệu và khí thải Điều này cho phép một mức độ kiểm soát lớn hơn đối với động cơ mà lần lượt cung cấp các lợi ích hiệu suất đáng kể.

Vào năm 2016 các kỹ sư Cargine AB hợp tác với Koenigsegg đã công bố việc phát triển một động cơ không sử dụng trục cam (Camless engine) và được gọi với cái tên là FreeValve.

Hình 3: Động cơ không cam Freevalve của Koenigsegg

Hình 4: Cấu tạo hệ thống phân phối khí FreeValve

Vậy FreeValve là gì?

Freevalve còn được gọi là truyền động van biến thiên hoàn toàn, cung cấp khả năng độc nhất để kiểm soát độc lập các van nạp và van xả trong động cơ đốt trong.

Với công nghệ trên của công ty FreeValve đã giải quyết được 4 vấn đề:  Kích thước

 Khối lượng

 Lượng tiêu hao nhiên liệu  Khí thải

Việc tạo ra một loại động cơ không cam là một điều cần thiết, trong thời buổi hiện đại một động cơ ít tốn năng lượng, giảm được tải trọng và khí thải, giảm được sự cố trong động cơ là một điều tuyệt vời.

Mặc dù có nhiều lợi 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 tục phát triển, có khả năng chúng ta sẽ thấy nhiều động cơ FreeValve được sử dụng trên các phương tiện trên khắp thế giới.

trục cam truyền thống trong động cơ đốt trong bằng bộ truyền động khí nén, cho phép điều chỉnh và nâng van biến thiên hoàn toàn.

Hình 5:Động cơ Freevalve - Engine đầu tiên được giới thiệu vào2003

(Nguồn: www.freevalve.com/about-us)

Hệ thống truyền động van không cam từ lâu đã được một số công ty nghiên cứu, bao gồm Renault , BMW , Fiat , Valeo , General Motors , Ricardo , Lotus Engineering , những công ty đã phát triển dẫn động van điện-thủy lực vào cuối những năm 1980 như một phần phụ của chương trình hệ thống treo chủ động của họ , cả hai đều sử dụng tương tự dẫn động và điều khiển điện-thủy lực, Ford , Jiangsu Gongda Power Technologies và công ty chị em FreeValve của Koenigsegg Một số hệ thống này đã có sẵn trên thị trường, mặc dù chưa có trong động cơ của các phương tiện giao thông đường bộ sản xuất Vào mùa xuân năm 2015, Christian von Koenigsegg nói với các phóng viên rằng công nghệ mà công ty ông theo đuổi đang "sẵn sàng cho kết quả", nhưng không nói gì cụ thể về thời gian biểu của công ty ông.

Hình 6: Christian von Koenigsegg giới thiệu động cơ không trụccam FreeValve với thế giới

Vào tháng 11 năm 2016, nhà sản xuất ô tô Trung Quốc Qoros Auto đã trưng bày chiếc hatchback Qoros 3 tại Triển lãm Ô tô Quảng Châu 2016, nơi trưng bày động cơ

Qoros 'Qamfree' mới Nhà thiết kế động cơ Thụy Điển FreeValve tuyên bố rằng động cơ tăng áp 1,6 lít (98 cu in) sẽ tạo ra công suất 170 kW (230 mã lực) và mô-men xoắn 320 N⋅m (240 lb⋅ft) Họ cũng tuyên bố rằng, so với động cơ truyền thống tương tự, nó giảm kích thước 50% (bao gồm chiều cao thấp hơn 50 mm (2,0 in), giảm trọng lượng 30%, cải thiện 30% công suất và mô-men xoắn, cải thiện 30% tiết kiệm nhiên liệu và giảm 50% lượng khí thải Christian von Koenigsegg tuyên bố trong một video rằng động cơ Qamfree với công nghệ không trục cam PHEA dựa trên động cơ Qoros hiện có được " được phát triển ở Đức và Áo năm, sáu năm trước "

Christian von Koenigsegg cũng tuyên bố rằng công nghệ không trục cam PHEA cho phép loại bỏ bộ chuyển đổi tiền xúc tác, bởi vì bộ chuyển đổi xúc tác tiêu chuẩn có thể được tăng nhiệt độ nhanh chóng bằng cách điều khiển chu trình xả.

Ngày nay, FreeValve vẫn đi đầu trong đổi mới công nghệ động cơ và hệ thống FreeValve của nó có tiềm năng cách mạng hóa ngành công nghiệp ô tô Với trọng tâm là cải thiện hiệu suất động cơ, giảm lượng khí thải và tăng sản lượng điện, FreeValve sẵn sàng đóng một vai trò quan trọng trong quá trình chuyển đổi sang một tương lai giao thông

bền vững và thân thiện với môi trường hơn.

3.Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:

a)Cấu tạo:

i.Bộ phận chấp hành:

Mỗi bộ truyền động điều khiển mỗi van động cơ và bao gồm một pít-tông truyền động , xi lanh, hai solenoids , hai spoolvalve, hai van cổng và một chốt thủy lực Solenoid 1, được gọi là solenoid thời gian (TS), điều khiển một van ống chỉ và chốt thủy lực Solenoid 2, được gọi là solenoid nâng (LS), điều khiển một van ống chỉ khác Các van ống điều khiển không khí đi vào xi lanh bộ truyền động.

Hình 7: Bộ phận chấp hành

Thiết bị truyền động:

Mỗi van động cơ được vận hành bởi một bộ truyền động riêng lẻ Các bộ phận lắp ráp cần thiết được xây dựng trong nhà và sản xuất bằng nhôm Bốn chân trung tâm mỗi

thiết bị truyền động.

Hình 8: Thiết bị truyền động piston

Hình 9: Mô phỏng bộ truyền động

Lò xo khí nén:

Các lò xo van động cơ tương đối mềm, với hằng số lò xo xấp xỉ 1/3 tiêu chuẩn Lực lò xo cao hơn có nghĩa là áp lực cao hơn cần thiết để mở các van, và kết quả là tiêu thụ không khí cao hơn Tuy nhiên, lực lò xo không đủ sẽ không thể chịu được chênh lệch áp suất và sau đó van có thể tự mở nếu đóng trong khi xuống Không có giới hạn nâng được tích hợp trong bộ truyền động, vì vậy để ngăn AP rời khỏi xi lanh - và ngăn quá nhiều van nâng - mỗi van được cung cấp một van nhôm dừng giới hạn nâng van xuống khoảng 9 mm (nâng tối đa bộ truyền động là khoảng 15 mm).

Hình 10: Lò xo khí nén

ii.ECU (Electronic Control Unit):

ECU sử dụng ứng dụng trí tuệ nhân tạo AI với độ trễ 1/10ms trong điều khiển sự làm việc của xupap Đây là công nghệ điều khiển mở từng van độc lập mà không phụ thuộc vào bất kì yếu tố nào Là công nghệ duy nhất cho phép kiểm soát thời điểm, chiều

gian đóng mở của van.

Hình 11: ECU

iii.Các bộ phận cảm biến:

Hình 12: Cảm biến vị trí bướm ga (TPS sensor)Vị trí: Nằm trên cụm bướm ga.

Hình 13: Cảm biến áp suất đường ống nạp (MAP)Vị trí: Nằm trên đường ống nạp ở trên cửa nạp.

Hình 14: Cảm biến lưu lượng khí nạp (MAF)Vị trí: Nằm trên đường ống dẫn không khí, giữa lọc gió và bướm ga.

Hình 15: Cảm biến oxy

Vị trí: nằm trên ống xả, thường là nằm ở chỗ nối chung cửa xả của các máy.

Hình 16: Cảm biến vị trí van

Vị trí: Thường gắn với thân piston (AP), nằm dưới bộ truyền động để đo chuyển động

của piston.

iv.Khí nén:

Một áp kế thủ công được kết nối, cho phép điều chỉnh áp suất từ 0 đến 8 bar Từ bình tích áp, một đường ray không khí được nối với bốn ống khí, một đến mỗi bộ truyền động.

v.Các đường dầu và khí:

Hình 17: Các đường dẫn dầu và khí

Dầu có hai mục đích, cả hai như một chất bôi trơn, hoạt động như một khóa để giữ van ở độ cao nâng mong muốn Mỗi bộ truyền động được kết nối với hai ống dầu linh hoạt, mỗi ống dài 0,5 m Những ống này được kết nối với một bể chứa dầu điều áp Với thiết lập hiện tại, áp suất dầu giống như áp suất khí nén.

b)Nguyên lý hoạt động:

Trong các động cơ có trục cam thông thường, trục cam có các vấu cam để thực hiện việc mở các xupap, với khoảng thời gian, lực và khoảng nâng van là cố định – một chu kỳ gồm 2 vòng quay trục khuỷu, 1 vòng quay trục cam và 1 lần đóng mở các van Các động cơ hiện đại sử dụng hệ đống đóng mở van biến thiên, nhưng việc điều chỉnh thời gian, lực và khoảng nâng van trong động cơ đang hoạt động là khó cũng như độ chính xác cần thiết không cao.

Đối với động cơ Camless, các van sẽ được kích hoạt đóng mở bởi một cơ chế khác, chẳng hạn như điện, thủy lực hoặc khí nén (gọi là các bộ hay module truyền động) Thời gian và độ nâng của van được điều khiển điện tử bằng máy tính Máy tính nhận thông tin về trạng thái hiện tại của động cơ từ các tín hiệu về khí nạp, nhiên liệu, khí thải (oxy), điều kiện tải,… và cảm biến tại chính module nâng van, và tùy thuộc vào những gì mong muốn tại thời điểm này, chương trình điều khiển sẽ xác định thời điểm, khoảng, thời gian và lượng mở van tối ưu nhất Theo cách này, có thể dễ dàng thay đổi khoảng thời gian, lực và khoảng nâng van có thể được điều chỉnh tự do từ van này sang van khác và từ chu kỳ này sang chu kỳ khác Nó cũng cho phép nâng nhiều lần trên mỗi chu kỳ và cho phép không nâng mở van trong mỗi chu kỳ công suất — xilanh tắt hoàn toàn (tắt xả, tắt nạp hoặc tắt cả xả và nạp) Đây là một lợi thế lớn cho việc kiểm soát quá trình đốt cháy.

Hình 18: Bộ điều khiển điện tử ECU

Trong động cơ Camless hay Freevalve, thời gian, độ nâng và khoảng thời gian nâng van có thể được điều chỉnh thông qua một phạm vi gần như vô hạn để phù hợp với tất cả các điều kiện hoạt động, điều này không thể đạt được ở cùng một mức độ với hệ thống

điều khiển van dựa trên cam Cũng vì lý do này, phương pháp truyền động, đóng mở van còn được gọi là truyền động van biến thiên hoàn toàn.

i.Quá trình hoạt động của FreeValve:

Khí nén cung cấp năng lượng để van động cơ được mở Để mô tả tốt hơn về động lực học của hệ thống quá trình đóng mở hoàn chỉnh được chia thành 3 phần:

Khi áp suất tăng lên nó đẩy AP xuống dưới và mở xú-pap động cơ Chốt 1 được kích hoạt cùng lúc với TS và thành van một chiều.

Hình 19: Quá trình nạp không khí

Nâng và giữ:

AP đi xuống 1 đoạn thì LS được kích hoạt, nó sẽ mở spool valve 2 ngừng khí vào Lúc này S2 được mở cùng lúc với LS để không khí vào spool valve 1.

Chốt S1 ngăn cản dầu trở về bể và giữ 1 khoảng thời gian cho đến khi cân bằng.

Hình 20: Quá trình nâng và giữ

Xả khí:

Đến lúc xả khí thì TS là LS ngừng kích hoạt các van spool valve trở về vị trí ban đầu.

Khí nén trong bộ truyền động thoát ra và trở về Lò xo đẩy AP về vị trí ban đầu Van động cơ đóng lại.

Hình 21: Quá trình xả khí

ii.Quá trình giảm chấn:

Ngoài ra trong bộ phần truyền động thì dầu thủy lực còn có chức năng là giảm chấn Dòng không khí với áp suất cao được đi vào, đấy piston A và xupap đi xuống thật nhanh, thì không khí và lo xò ở phần không gian phía dưới piston A bị nén lại Xupap được mở.

Tại địa điểm va chạm giữa pistion A và piston B, thì piston A tiếp tục đi xuống nó sẽ đẩy piston B đi về phía đường dầu cấp Dầu tiếp bị nén cho đo đến khi áp suất dầu tăng lên cao và cân bằng với lực khí nên bên trên piston A thì nó sẽ dừng lại, đó lại giảm chấn (damping).

Cuối cùng khí nén và lò xo khoang phía dưới piston đẩy piston A đi lên và đóng xupap lại

Hình 22: Quá trình giảm chấn

Ở động cơ không cam cụ thể là hệ thống phân phối khí việc quan trọng nhất là thời gian kiểm soát bộ phận chấp hành Trọng tâm là thời gian nạp đầy năng lượng, thời gian nâng van và thời gian đóng van.

4. Các loại truyền động van trong công nghệ Camless:

a.Truyền động van điện từ (EVA):

Truyền động van điện từ (EMVA) mang lại sự linh hoạt về thời điểm, khoảng thời gian và lực nâng của van Hoạt động của van trong loại hệ thống này thường được thực hiện bằng sự kết hợp khác nhau của các solenoid điện từ và lò xo cơ học.

Hình 23: Bộ truyền động van điện từ

Với bộ truyền động này, van được trang bị một pít tông và được đặt bên trong vỏ có chứa nam châm vĩnh cửu và nam châm điện Khi van ở vị trí đóng, Lò xo A bị nén và van được giữ cố định bằng nam châm vĩnh cửu Để mở van, cuộn dây A phải được kích hoạt và triệt tiêu từ trường của cực từ vĩnh cửu Điều này cho phép lực do lò xo A tác dụng để tăng tốc van Khi van di chuyển về vị trí thấp hơn của nó, pit tông bị hút bởi cực từ trường khác và lò xo B bị nén Quá trình đóng van được thực hiện theo một quy trình ngược lại so với quá trình mở van.

Hình 24

Trong biểu đồ đóng mở van, so với kiểu nâng van thông thường, cấu hình nâng van điện từ có đường dốc mở van dốc hơn nhiều giúp thúc đẩy quá trình nạp đầy xi lanh tốt hơn ở tốc độ động cơ thấp và trung bình.

Hệ thống điện từ GM có mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn so với hệ thống van dẫn động trục cam tiêu chuẩn ở cùng tốc độ Một điểm bất lợi với hệ thống của GM là vận tốc đặt van (vận tốc khi van tiếp xúc đến điểm tựa – đóng van) của van cao tạo ra tiếng ồn cao Một giải pháp cho các vấn đề về vận tốc đặt van là làm chậm van bằng lực cản gây ra bởi thân van đi vào khoang chứa đầy chất lỏng Do sức cản tăng lên, van sẽ tiếp đất mềm.

b.Truyền động van điện – thủy lực:

Một cách khác để truyền động van không cam là truyền động van điện thủy lực (EHVA) Bộ truyền động van điện thủy lực chuyển đổi áp suất chất lỏng thành chuyển động để phản ứng với tín hiệu Hệ thống không sử dụng cam hay lò xo, thay vào đó là đóng mở các van bằng lực thủy lực Trong suốt quá trình gia tốc của van, thế năng của chất lỏng nén được chuyển thành động năng của van Trong quá trình giảm tốc, năng lượng của chuyển động van được trả lại cho chất lỏng.