Tiểu luận động cơ đốt trong

Tài liệu tiểu luận về nguyên lý động cơ đốt trong hệ thống phân phối khí VANOS tập trung vào giải thích cách công nghệ này cải thiện hiệu suất động cơ xe hơi. Bằng cách điều chỉnh thời gian và pha của van xylanh, VANOS tối ưu hóa quá trình đốt cháy, cải thiện công suất và tiết kiệm nhiên liệu. Tài liệu sẽ phân tích ứng dụng của VANOS trong ngành công nghiệp xe hơi và nhấn mạnh vào tiềm năng phát triển trong tương lai.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ

TP.HCM, tháng 4 năm 2024

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

I Giới thiệu về công nghệ VANOS trên xe BMW 2

II.Cấu tạo và nguyên lí hoạt động 2

1 Cấu tạo 2

2 Nguyên lý hoạt động: 2

III Đánh giá ưu và nhượt điểm của hệ thống VANOS khí so với thế hệ trước 2

IV Lịch sử phát triển công nghệ: 2

V Ảnh hưởng của hệ thống VANOS đến các công nghệ, kỹ thuật khác trên động cơ 2

VI Nhận xét: 2

VII Tài liệu tham khảo: 3

2

I.Giới thiệu về công nghệ VANOS trên xe BMW

Hệ thống VANOS (Variable Nockenwellen Steuerung) là một công nghệ được phát triển bởi BMW mục đích để tối ưu hóa hiệu suất và khả năng vận hành của động cơ Vanos là công nghệ làm thay đổi thời điểm mở xupap hoạt động dựa trên nguyên lý làm thay đổi vị trí của trục cam so với trục khuỷu động cơ Hệ thống này cũng hoạt động giống như các hệ thống trên các hãng khác như VVT-i của Toyota, VTEC của Honda, VVT ( Ford,Volkswagen, Madza, ), CVVT (Huyndai, Kia), Dựa trên nguyên lý thay đổi thời điểm phân phối khí mở sớm hoặc đóng muộn của xupap nạp và xupap thải Từ đó sẽ cải thiện được công suất của động cơ tùy thuộc vào từng chế độ hoạt động cụ thể Tuy nhiên hệ thống VANOS có cấu tạo khác hẳn các hệ thống làm thay đổi thời điểm mở xupap của các hãng khác là sự kết hợp gữa việc điều khiển bằng cơ khí và thủy lực và được quản lý bởi hệ thống điều khiển động cơ của xe.

II.Cấu tạo và nguyên lí hoạt động1.Cấu tạo

Bộ Điều Khiển (ECU)- Cảm biến: Là bộ điều khiển điện tử

của động cơ, chịu trách nhiệm quản lý hoạt động của hệ thống VANOS Bộ điều khiển nhận các tín hiệu từ các cảm biến như cảm biến vị trí trục cam, tốc độ động cơ, tải trọng và nhiệt độ động cơ để

tính toán và điều chỉnh góc quay của bánh răng VANOS.

Van thủy lực (solenoid): Dầu được đưa vào van qua hệ

thống bơm dầu để tạo áp lực lên piston và tùy vào trạng thái hoạt động mà hệ thống van solenoid điều khiển dòng dầu ra các lỗ, tác động vào hệ thống điều khiển cơ khí để thay đổi vị trí của trục cam

-Hệ thống điều khiển cơ khí

4

Single VANOS: có 1 vanos gắn với trục cam nạp liên kết với

trục cam xả qua bộ truyền xích (chỉ kiểm soát được lượng không khí

nạp vào xilanh).

Dual VANOS: Có 2 vanos được gắn trên 2 trục cam Trục cam

nạp có thể thay đổi 40 độ và trục cam xả có thế thay đổi 25 độ (kiểm soát được cả lượng khí nạp vào và xả ra).

Cả 2 hệ thống single VANOS và doual VANOS đều có bộ chấp hành cơ khí hoạt động dựa trên nguyên lý giống nhau Đĩa xích được dẫn động bởi trục khuỷu động cơ và không liên kết cố định với trục cam mà được liên kết với trục cam qua then hoa (Bánh răng nghiên của đĩa xích được liên kết ăn khớp trong với răng nghiên của trục then hoa) Trục cam lại được liên kết với trục then hoa bằng bánh răn thẳng ăn khớp trong Trục then hoa có thể di chuyển dọc trục dưới tác dụng của áp suất thủy lực làm thay đổi vị trí tương đối của trục cam với đĩa xích, góc độ thay đổi phụ thuộc vào độ nghiêng và hướng nghiên của trục then hoa và bánh răng đĩa xích.

2.Nguyên lý hoạt động:

6

Khi ECU nhận được tín hiệu từ cảm biến tốc độ trục khuỷu theo từng chế độ làm việc của động cơ, ECU sẽ xuất tín hiệu điện áp điều khiển van thủy lực (solenoid) đóng mở đường dẫn dầu tác động lực lên piston trục cam di chuyển tịnh tiến đẩy cho bánh răng xoay trục cam xoay một góc độ nhất định, từ đó thay đổi thời điểm vấu cam tác động lên xupap nạp và xả.

 Làm trễ thời điểm phân phối khí

Vanos được đặc mặc định ở vị trí làm trễ thời điểm phân phối khí, khi xe chạy ở vòng tua thấp ECU điều khiển solenoid mở đường dầu trễ, áp lực dầu tác dụng lên mặt sau của piston đẩy piston sang trái Khi piston di chuyển sang trái trục then hoa xoay làm cho trục cam xoay lên trên theo hướng làm trễ thời điểm phân phối khí.

 Làm sớm thời điểm phân phối khí

Khi xe chạy ở vòng tua trung bình ECU điều khiển

solenoid mở đường dầu sớm, áp lực dầu tác dụng lên mặt trước của piston đẩy piston di chuyển sang phải lúc này trục then hoa xoay làm trục cam xoay xuống thay đổi góc phối khí theo hướng làm sớm thời điểm phân phối khí.

Giữ nguyên thời điểm phân phối khí:

Khi đã đạt được thời điểm phân phối khí tối ưu, ECU giữ nguyên tỉ lệ hiệu dụng của các xung điều khiển để duy trì vị trí trục cam Giá trị xung điều khiển này sẽ được ECU điều khiển liên tục lên solenoid tạo ra áp lực dầu hợp lí di chuyển piston để làm trễ, sớm hay giữ nguyên thời điểm phân phối khí.

III.Đánh giá ưu và nhượt điểm của hệ thống phânphối khí so với các thế hệ trước

 Ưu điểm

-Tăng hiệu suất động cơ: Hệ thống VANOS cho phép điều chỉnh góc mở và đóng của xupap, giúp tối ưu hóa hành trình di chuyển của xupap và tăng cường luồng khí nạp vào và khí thải ra.

-Cải thiện phản ứng và khả năng đáp ứng: VANOS giúp thay đổi góc phối khí theo tốc độ và tải trọng của động cơ Nên động cơ có khả năng phản ứng nhanh chóng hơn và cung cấp mô-men xoắn đáp ứng tốt hơn ở mọi dải tốc độ.

-Tiết kiệm nhiên liệu: Bằng cách tối ưu hóa góc phối khí, hệ thống VANOS giúp tăng hiệu suất đốt nhiên liệu.

-Giảm tiếng ồn và rung động: Bằng cách điều chỉnh góc phối khí hay hành trình của xupap giúp giảm tiếng ồn và rung động của động cơ.

8

-Giảm ô nhiễm môi trường do tối ưu hóa góc trừng điệp của xupap

-Chế độ cầm chừng ổn định

Trong 2 hệ thống Single VANOS và Hệ thống doual VANOS

thì Doual VANOS điều khiển hệ thống phân phối khí làm việc tối ưu nhất Vì hệ thống này điều chỉnh cả trục cam nạp và trục cam xả, điều chỉnh được thời điểm đóng mở các xupap nạp và xả theo từng chế độ làm việc của động cơ Nhờ sự điều khiển hợp lí đó sẽ giúp cho quá trình hoạt động của động cơ được êm dịu, tiết kiệm nhiên liệu, tránh dư thừa hoặc thiếu hụt công suất Tăng tính kinh tế khi sử dụng động cơ có công nghệ này.

 Nhượt điểm

-Hệ thống có cấu tạo phức tạp và công nghệ cao hơn các hệ thống phối khí truyền thống nên đòi hỏi phải có yêu cầu bảo dưỡng đặc biệt và chi phí sẽ cao hơn.

-Hệ thống cơ khí chịu áp lực và ma sát trong hệ thống cũng sẽ bị hao mòn nhanh chóng, yêu cầu phải được thường

-Nếu 1 bộ phận trong hệ thống bị lỗi hay hư hỏng thì sẽ ảnh hưởng rất lớn đến khả năng vận hành và hiệu suất của động cơ.

IV Lịch sử phát triển công nghệ:

Single VANOS: được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1992 trên

động cơ BMW M50 được sử dụng trên Series 3 và 5 Single VANOS điều chỉnh vị trí trục cam nạp so với trục khuỷu dựa vào tốc độ động cơ và vị trí bàn đạp ga Khi ở tốc độ thấp xupap nạp được mở trễ lại để chế độ cầm chừng ổn định Khi tốc độ trung bình xupap nạp được mở sớm hơn làm tăng góc trùng điệp cùa xupap nạp và xupap xả nhiên liệu được nạp vào nhiều hơn và thải khí sạch hơn làm tăng hiệu suất của động cơ, tiết kiệm được nhiên liệu và giảm khí thải ô

nhiễm Khi tốc độ cao xupap nạp lại được mở trễ để công suất động cơ phát ra tối đa.

10

Doual VANOS: Lần đầu tiên xuất hiện trên động cơ S50B32

vào năm 1996 Doual VANOS điều chỉnh vị trí của trục cam nạp và xả với so với trục khuỷu Trục cam nạp có thể thay đổi 40 độ và trục cam xả có thể thay đổi 25 độ, hệ thống có khả năng điều chỉnh biến thiên liên tục, dựa trên tốc độ động cơ và độ mở bướm ga Nhờ sự

kết hợp hài hòa của hai trục cam đã làm tối ưu hóa hệ thống.

V.Ảnh hưởng của hệ thống VANOS đến các công nghệ, kỹthuật khác trên động cơ.

Hệ thống VANOS là một phần rất quan trọng trong công nghệ động cơ hiện đại, đã mang lại sự linh hoạt và hiệu suất cao cho các động cơ đốt trong Tuy nhiên cũng như mọi công nghệ khác VANOS cũng không thể tránh khỏi những vấn đề và lỗi trong quá trình hoạt động Từ những vấn đề nhỏ như rò rỉ dầu đến những vấn đề phức tạp hơn như mất hiệu suất đột ngột, hệ thống VANOS có thể gặp phải nhiều vấn đề đáng chú ý Chúng ta sẽ xem xét một số lỗi thường gặp của hệ thống VANOS và ảnh hưởng của nó đến động cơ như thế nào.

Hệ thống van thủy lực bị hỏng: Solenoid có nhiệm vụ kiểm

soát áp suất dầu dùng để di chuyển bánh răng xoắn Do làm việc trong môi trường có áp suất cao nên các bộ phận của solenoid

Vòng đệm chữ o: Cao su hoặc các vật liệu giống cao su được sử dụng trong động cơ có thể và sẽ bị mòn hoặc giản nở khi sử dụng Vòng chữ o tạo ra vòng đệm trong bộ điện từ VANOS cũng không ngoại lệ Thông qua sự xuống cấp do dầu bẩn hoặc hao mòn, vòng đệm cuối cùng sẽ bị hỏng Do đó, bộ điện từ sẽ không còn khả năng điều chỉnh dòng chảy của dầu.

Lỗ dầu bị tắt: Khi làm việc lâu ngày trong dầu sẽ có những bụi bẩn và mảnh vụn sinh ra trong quá trình ma sát của các chi tiết Điều này làm cho lỗ dầu bị tắt nghẽn làm gián đoạn khả năng kiểm soát lực dầu của solenoid.

Tiếng lạch cạch của Vanos: Với việc sử dụng liên tục trong

thời gian dài mà không thường xuyên bảo dưỡng, bảo trì thì các bộ phân trong hệ thống sẽ bị mòn và lỏng lẻo Một số vị trí dễ phát ra tiếng lạch cạch nhất như giữa bánh cam và trục VANOS, các bộ phận điện từ và piston VANOS Tuy nhiên tiếng kêu này thường chỉ gây khó chịu cho chủ xe và ít ảnh hưởng đến công suất hoặc hiệu suất động cơ.

Tắt đường dẫn dầu: Vì VANOS phụ thuộc vào nguồn cung

cấp dầu để vận hành bánh răng xoắn khi dầu được cung cấp nó sẽ cuốn theo bụi bẩn và mảnh vụn cũng như có những thay đổi về độ nhớt Khi độ nhớt thay đổi thì dầu có khả năng bị rò rỉ, cặn dầu khiến cho đường dẫn dầu bị tắt một phần hay toàn bộ Điều này cũng sẽ gây ra những thiệt hại giống như khi solenoid bị hỏng.

Cảm biến trục cam bị hỏng: Mặc dù không phải là một bộ

phận của hệ thống VANOS nhưng cảm biến vị trí trục cam có vai trò cực kỳ quan trọng đến hoạt động của VANOS Khi ECU và DME lấy dữ liệu từ các cảm biến, một khi cảm biến trục cam bị hỏng thì bộ điều khiển không thể lấy được thông tin và chắc chắn sẽ không thể đưa ra được quyết định chính xác đề điều khiển vị trí trục cam tối ưu nhất Điều này gần như sẽ vô hiệu hóa hoàn toàn chức năng của VANOS và các hệ thống khác trên xe

Tóm lại khi hệ thống VANOS bị lỗi hay hư hỏng thì sẽ ảnh hưởng rất lớn đến quá trình hoạt động của các hệ thống khác

12

trên động cơ Làm giảm đáng kể hiệu suất, khả năng vận hành và sự ổn định của động cơ Vì vậy cần thường xuyên bảo dưỡng, thay dầu định kỳ đề hệ thống có thể hoạt động trơn tru và tối ưu nhất hiệu suất mang lại.

VI.Nhận xét:

Hệ thống VANOS trên các động cơ BMW mang lại khả năng vận hành linh hoạt và hiệu suất cao Khả năng điều chỉnh góc pha của trục cam cho phép tối ưu hóa hiệu suất động cơ ở mọi tốc độ và điều kiện lái xe Điều này không chỉ cải thiện sức mạnh và đáp ứng nhanh chóng của động cơ mà còn giảm tiêu hao nhiên liệu và khí thải Vì thế VANOS có thể giúp người lái xe có trải nghiệm lái mượt mà, thoải mái nhất và tăng tính kinh tế khi sử dụng động cơ có hệ thống VANOS.

Trong tương lai, khả năng ứng dụng của hệ thống VANOS hứa hẹn sẽ phát triển mạnh mẽ hơn nữa Nhà sản xuất có thể kết hợp công nghệ này với các hệ thống khác như hybrid và điện để tăng tính hiệu quả và tiết kiệm nhiên liệu Đồng thời với sự phát triển mạnh mẽ trong công nghệ điện tử và cảm biến, hệ thống cơ khí sẽ được năng cao chất lượng vật liệu để ít bị ma sát mài mòn, từ đó có thể tối ưu hóa nhất khả năng vận hành của hệ thống.

VII Tài liệu tham khảo:

1 Giáo trình nguyên lý động cơ đốt trong trường