Nghiên cứu giải pháp nâng cao độ chính xác hệ thống phân phối khí trên ô tô

khuyết điểm của những động cơ hiện nay, khảo sát nhu cầu của mọi người về vấn đề đã đặt ra, từ đó đề xuất được giải pháp cải tiến hệ thống phân phối khí. Cuối cùng là đưa ra giải pháp tối ưu khả thi nhất để nghiên cứu và phát triển 1 THỰC TRẠNG CỦA HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÍ Hệ thống phân phối khí dùng xupap kiểu đặt (Được bố trí trên thân máy). Hình 1. Cơ cấu phân phối khí dùng xupap đặt Khi động cơ làm việc thông qua các bánh răng dẫn động làm cho trục cam và cam quay tác động vào con đội làm con đội đi lên mở cửa nạp hoặc thải động thời lo xo bị nén lại; 252 Sau khi hết tác động vào con đội thì lò xo giãn ra và đẩy xupap đi xuống đóng kín cửa nạp hoặc thải và kết thúc quá trình nạp (thải). Hệ thống phân phối khí dùng xupap kiểu treo (Được bố trên trên nắp máy). Hình 2. Cơ cấu phân phối khí dùng xupap treo Nguyên lý làm việc cơ cấu này tương tự như cơ cấu xu páp đặt nhưng có thêm chi tiết truyền lực trung gian giữa con đội và xupáp là có thêm đũa đẩy và cò mổ. Nhược điểm chung của các hệ thống này là tương đối cồng kề, chi tiết thiết bị lớn, gây nên sai số trong điều khiển và chậm tác dụng lên van xupap. Hệ thống phân phối khí dùng xupap có trục cam truyền động trực tiếp. Hình 3. Cơ cấu phân phối khí có xupap treo dẫn động gián tiếp - trục cam đặt trên nắp xi-lanh: 1: Xupap xả; 2: Lò xo xupap; 3: trục cam; 4: Đĩa tựa; 5: Đệm điều chỉnh; 6: Thân xupap rỗng 253 Khi động cơ làm việc, trục cam 3 quay thì quả đào trên trục cam quay sẽ truyền chuyển động tịnh tiến trực tiếp cho xupap1, khi đó trục cam trực tiếp điều khiển quá trình làm việc của các xupap, không cần thông qua con đội, đũa đẩy, đòn gánh mà trục cam quay do truyền động của hệ bánh răng côn. Ở hệ thống phân phối khí loại này có ưu điểm: Làm việc êm hơn, ít gây tiếng ồn nhưng lại khó điều chỉnh khe hở nhiệt của xupap. 2 CÁC GIẢI PHÁP HIỆN CÓ ĐỂ NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÍ 2.1 Công nghệ trục cam biến thiên Cam biến thiên là để điều khiển thời điểm đóng mở xupap theo tiếng Anh là VVT (Variable Valve Timing. Nhưng sẽ có phát sinh một vài vấn đề khi piston chạy quá nhanh (động cơ hoạt động ở vòng tua cao). Đó là khi ở tua máy cao thì động cơ cần lượng hỗn hợp nhiên liệu nhiều hơn, và nếu như trục cam vẫn hoạt động giống nhau ở mọi vòng tua sẽ khiến cho xupap nạp đóng khi chưa đủ lượng nhiên liệu đưa vào buồng đốt. Hoặc nếu thiết kế trục cam để đóng xupap nạp trễ hơn chút thì động cơ sẽ gặp vấn đề ở vòng tua thấp. Xupap đóng chậm sẽ khiến cho lượng nhiên liệu chưa kịp đốt hết sẽ đi ra ngoài do xupap ko kín. Từ đó sẽ khiến động cơ đốt không sạch nhiên liệu ở tua máy thấp. Các chế độ điều khiển: làm sớm thời điểm phối khí; làm muộn thời điểm phối khí; giữ nguyên thời điểm phối khí khi đã tối ưu. 2.2 Hệ thống điều khiển xupap kiểu Valvetronic Valvetronic là hệ thống tự động điều chỉnh hoà khí của động cơ thông qua cơ cấu phun xăng đa điểm và độ mở xu-páp biến thiên. Sự khác biệt giữa Valvetronic và các công nghệ phun xăng đa điểm khác là Valvetronic không sử dụng bướm ga cơ khí để điều khiển lượng hoà khí cho động cơ mà dùng chính cơ cấu xu-páp có độ mở biến thiên làm nhiệm vụ đó. Hình 4. Hệ thống điều khiển xupap kiểu Hình 5. Cấu tạo của hệ thống điều khiển xupap kiểu Valvetronic Valvetronic 254 2.3 Hệ thống điều khiển xupap bằng điện từ Cấu tạo của hệ thống xupap điều khiển không trục cam gồm nam châm điện (electromagnet) được đặt phía trên đỉnh xupap, miếng sắt từ đóng vai trò phần ứng được kết nối với đuôi xupap, các lò xo hoàn lực, chén chặn và xupap. Hình 6. Cơ cấu điều khiển xupap bằng điện từ Hình 7. Cấu tạo của hệ thống điều khiển xupap bằng điện từ: 1: Tín hiệu từ các cảm biến; 2: ECU; 3: Nam châm điện trên xupap nạp; 4: Xupap nạp; 5; Nam châm điện trên xupap xả; 6: Xupap xả Khi nam châm điện phía trên được kích hoạt sẽ tạo ra một lực từ trường hút miếng sắt phần ứng lên trên cùng làm cho xupap ở vị trí đóng. Khi từ tính do nam châm điện phía trên bị ngắt, miếng sắt phần ứng kết nối với đuôi xupap sẽ bị kéo xuống bởi lò xo. Bộ chấp hành nam châm điện phía dưới sẽ duy trì xupap ở vị trí mở. Hệ thống sử dụng các nam châm điện 3 và 5 để đóng mở xupap 4 và 6. Tín hiệu nhập vào từ các cảm biến 1 thông qua mạch giao tiếp nhập/xuất như vị trí pittong, tốc độ động cơ, tốc độ xe, nhiệt độ nước làm mát, áp suất khí nạp ECU liên tục nhận tín hiệu từ các cảm biến sau đó tính toán thời gian và độ nâng xupap tối ưu để điều khiển bộ chấp hành nam châm điện. Sự chính xác của tín hiệu đầu vào là rất quan trọng để động cơ hoạt động hiệu quả. Ưu điểm chung của giải pháp hiện có: khắc phục được phần lớn nhược điểm của hệ thống phân phối khí kiểu cơ khi, xét về tính hiệu quả: Tăng công suất động cơ;Giảm khí thải ô nhiễm. Bên cạnh những ưu điểm thì vẫn tồn tại các vấn đề: Cấu tạo khá phức tạp gây khó khăn trong việc bảo dưỡng; Giá thành cao. Cách tính toán hoạt động phức tạp do phụ thuộc đa phần vào điện. 3 ĐỀ XUẤT CÁC PHƯƠNG ÁN NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÍ Trong đề tài này chúng em tập trung nghiên cứu cơ sở lý thuyết của hệ thống phân phối khí, đi sâu vào việc tối ưu hóa thời gian, thời điểm, độ nâng và góc đóng mở của xupap để làm tăng công suất động cơ, tiết kiệm nhiên liệu, thân thiện với môi trường. Đề tài có ý nghĩa trong việc giúp em hiểu biết sâu hơn về hệ thống phân phối khí trên các động cơ hiện đại ngày nay và những khuyết điểm mà các động cơ này gặp phải để có thể tìm ra phương pháp tối ưu chúng. 255 3.1 Hệ thống điều khiển xupap bằng điện từ Cấu tạo của hệ thống xupap điều khiển không trục cam gồm nam châm điện được đặt phía trên đỉnh xupap, miếng sắt từ đóng vai trò phần ứng được kết nối với đuôi xupap, các lò xo hoàn lực, chén chặn và xupap. Hình 8. Cơ cấu điều khiển xupap bằng điện từ Tín hiệu nhập vào từ các cảm biến thông qua mạch giao tiếp nhập/xuất như vị trí pittong, tốc độ động cơ, tốc độ xe, nhiệt độ nước làm mát, áp suất khí nạpECU liên tục nhận tín hiệu từ các cảm biến sau đó tính toán thời gian và độ nâng xupap tối ưu để điều khiển bộ chấp hành nam châm điện. Sự chính xác của tín hiệu đầu vào là rất quan trọng để động cơ hoạt động hiệu quả. Khi nam châm điện phía trên được kích hoạt sẽ tạo ra một lực từ trường hút miếng sắt phần ứng lên trên cùng làm cho xupap ở vị trí đóng. Khi từ tính do nam châm điện phía trên bị ngắt, miếng sắt phần ứng kết nối với đuôi xupap sẽ bị kéo xuống bởi lò xo. Bộ chấp hành nam châm điện phía dưới sẽ duy trì xupap ở vị trí mở. Ưu điểm nổi trội của phương án này điều khiển các xupap đóng mở chính xácmỗi xupap trong một xilanh có thể đóng mở hoàn toàn độc lập, một điều không thể có trong loại động cơ sử dụng trục cam. Tuy vậy, hệ thống còn tồn tại những nhược điểm nhất định: tính toán hoạt động phức tạp do phụ thuộc đa phần vào điện. 3.2 Hệ thống điều khiển xupap bằng thủy lực Hệ thống bao gồm các phần tử: bơm thủy lực, bình chứa dầu, bộ chia dầu, van tiết lưu điều khiển bằng điện, van xi lanh. Ở hệ thống này, bơm thủy lực được kết nối với động cơ, khi động cơ làm việc bơm hoạt động hút dầu tại bình chứa dầu và nén dầu với áp suất cao chuyển sang bộ chia dầu và đưa tới van tiết lưu. Tại van tiết lưu cấp một nguồn điện vào để điều chỉnh lại lượng thể tích dầu phù hợp mà ta đã thiết lập từ trước. Với lưu lượng đó đưa vào van xy lanh được bố trí ngay trên xupap thay thế cam để điều chỉnh xupap nạp (thải) đóng mở chính xác. Sau khi kết thúc quá trình lượng dầu dư đi theo đường hồi về bình chứa. 256 Giải pháp này có kết cấu đơn giản; tính ổn định và sự chính xác cao. Tuy nhiên việc định lượng được các thông số kỹ thuật khó chính xác và vẫn chưa kiểm định được hiệu suất cụ thể. Hình 9. Hệ thống điều khiển xupap bằng thủy lực 3.3 Hệ thống điều khiển xupap bằng nam châm điện kép Giải pháp sử dụng nam châm điện với cơ cấu 2 nam châm trên và dưới kèm với đó là 2 lò xo hỗ trợ hoạt động giảm chấn. Khi muốn xupap chuyển động lên thì nam châm trên hút, khi thả ra sẽ có lo xo hạn chế va đập. Chuyển động xuống cũng tương tự như lên. Giải pháp này hạn chế va đập, loại bỏ được trục cam, dây xích nhưng phức tạp trong thiết kế và lập trình hoạt động phức tạp. Hình 10. Cơ cấu điều khiển xupap nam châm điện kép: 1: Nam châm điện; 2: Lò xo giảm chấn; 3: Con đội xupap; 4: Xupap 257 3.4 Hệ thống phân phân phối khí điều khiển bằng thủy lực Hệ thống này bào gồm các phần tử: Bơm thủy lực, bình chứa dầu, bộ chia dầu, van tiết lưu điều khiển bằng điện, van xi lanh.Bơm thủy lực được kết nối với động cơ, khi động cơ làm việc bơm hoạt động hút dầu tại bình chứa dầu và nén dầu với áp suất cao chuyển sang bộ chia dầu và đưa tới van tiết lưu. Tại van tiết lưu cấp một nguồn điện vào để điều chỉnh lại lượng thể tích dầu phù hợp mà ta đã thiết lập từ trước. Với lưu lượng đó đưa vào van xi lanh được bố trí ngay trên xupap thay thế cam để điều chỉnh xupap nạp (thải) đóng mở chính xác. Sau khi kết thúc quá trình lượng dầu dư đi theo đường hồi về bình chứa. Hệ thống có Kết cấu đơn giản; tăng tính ổn định và sự chính xác cho quá trình làm việc của xupap. Tuy vậy, vẫn khó định lượng được các thông số kỹ thuật chính xác nhất; Hình 11. Cơ cấu điều khiển xupap bằng thủy lực 4 KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ Sau quá trình tìm hiểu, phân tích và khảo sát, chúng em đã đúc kết được một số điều như sau: - Hiểu được các loại hệ thống phân phối khí hiện nay. - Phân tích được ưu và nhược điểm các lại hệ thống phân phối khí này. - Đưa ra được một số giải pháp để tối ưu quá trình làm việc của hệ thống phân phối khí. - Đề tài nghiên cứu có ý nghĩa với khoa học khi thay đổi được nguyên lý hoạt động của các loại hệ thống phân phối khí hiện nay, giảm được năng lượng tiêu hao trong quá trình hoạt động. 258 - Đề tài có hiệu quả lớn đến kinh tế khi giảm được khối lượng kim loại chế tạo trục cam, dây xích, nâng cao giá trị động cơ, ngoài ra còn hiệu quả về mặt xã hội khi giảm được lượng khí thải ra môi trường do công suất động cơ được cải thiện và giảm được lượng xăng dầu tiêu hao trong quá trình sử dụng. - Đề tài có thể được áp dụng trên phạm vi rộng như trên các loại động cơ xe ô tô hiện nay. Nhóm nghiên cứu muốn đề nghị hướng nghiên cứu tiếp theo là sẽ khắc phục những khuyết điểm hiện có của giải pháp này, nghiên cứu và mô phỏng giải pháp thực tế. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Engineering Matters, Inc.: Electromagnetic Fully Flexible Valve Actuator. [2] Oto-hui.com: Fully digital valves - Cơ cấu phân phối khí điện tử. [3] Jieng-Jang Liu, Yee-Pien Yang, Jia-Hong Xu - Seoul, Korea, July 6-11, 2008: [4] Electromechanical Valve Actuator with Hybrid MMF for Camless Engine. 259