Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu thiết kế cơ cấu xupap điện từ trên động cơ

• Tác giả: Nguyễn Ngọc Hoài Ân
• Người hướng dẫn: TS. Lý Vĩnh Đạt
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
• Đề tài: Nghiên Cứu Thiết Kế Cơ Cấu Xupap Điện Từ Cho Động Cơ
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Các nghiên cứu trong nƣớc
• 1.3. Các nghiên cứu ngoài nƣớc
• 1.4. Tổng quan về điều khiển xupap
• 2. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠ CẤU XUPAP ĐIỆN TỪ TRÊN ĐỘNG CƠ
• 2.1. Nguyên lý hoạt động của EMV
• 2.2. Thiết kế xupap điện từ (EMV)
• 2.3. Thiết kế lò xo xupap. Thiết kế armature và thân xupap. Thiết kế nam châm. Thiết kế cuộn dây điện từ. Tính toán các thông số của xupap điện từ (EMV)
• 2.4. Giới thiệu các công cụ phần tử hữu hạn
• 2.5. Tối ƣu hóa các thông số trong thiết kế xupap điện từ
• 2.6. Phân tích các yếu tố ảnh hƣởng
• 3. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về nghiên cứu

Nghiên cứu thiết kế cơ cấu xupap điện từ cho động cơ tại HCMUTE tập trung vào việc cải thiện hiệu suất động cơ và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Cơ cấu xupap truyền thống thường không đáp ứng được yêu cầu về tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải. Việc áp dụng xupap điện từ (EMV) cho phép điều khiển linh hoạt thời điểm và thời gian mở xupap, từ đó tối ưu hóa quá trình đốt cháy trong động cơ. Nghiên cứu này không chỉ mang lại lợi ích về mặt kỹ thuật mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường. Theo nghiên cứu, việc sử dụng xupap điện từ có thể giảm tiêu hao nhiên liệu từ 13% đến 15% và giảm khí thải CO khoảng 15%.

1.1. Tình hình nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam, nghiên cứu về cơ cấu xupap điện từ còn khá mới mẻ. Tuy nhiên, với tình trạng ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng, việc phát triển công nghệ này là cần thiết. Các nghiên cứu trong nước đã chỉ ra rằng việc áp dụng công nghệ xupap điện từ có thể giúp giảm thiểu ô nhiễm và tiết kiệm nhiên liệu. Các trường đại học và viện nghiên cứu đang dần chú trọng đến lĩnh vực này, mở ra cơ hội cho các ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghiệp ô tô.

1.2. Tình hình nghiên cứu quốc tế

Trên thế giới, nhiều hãng sản xuất ô tô đã áp dụng công nghệ xupap điện từ để cải thiện hiệu suất động cơ. Các nghiên cứu như thiết kế xupap điện từ mới với nam châm vĩnh cửu đã cho thấy khả năng giảm tiêu hao năng lượng và khí thải. Những nghiên cứu này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất động cơ mà còn đáp ứng các tiêu chuẩn môi trường ngày càng khắt khe. Việc áp dụng công nghệ xupap điện từ đã trở thành xu hướng trong ngành công nghiệp ô tô toàn cầu.

II. Nguyên lý hoạt động của xupap điện từ

Nguyên lý hoạt động của xupap điện từ dựa trên việc sử dụng điện từ để điều khiển thời điểm và độ mở của xupap. Khi có dòng điện chạy qua cuộn dây, từ trường được tạo ra, kéo hoặc đẩy armature, từ đó mở hoặc đóng xupap. Cơ cấu xupap điện từ cho phép điều chỉnh linh hoạt, giúp tối ưu hóa quá trình nạp và xả khí trong động cơ. Điều này không chỉ cải thiện hiệu suất động cơ mà còn giảm thiểu khí thải độc hại. Việc điều khiển chính xác thời điểm mở xupap giúp tăng cường hiệu suất đốt cháy, từ đó tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường.

2.1. Thiết kế xupap điện từ

Thiết kế xupap điện từ bao gồm các thành phần chính như cuộn dây, nam châm, và armature. Mỗi thành phần đều có vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hoạt động hiệu quả của cơ cấu xupap. Việc tối ưu hóa thiết kế giúp tăng cường khả năng phản ứng nhanh và độ bền của xupap. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng vật liệu chất lượng cao cho nam châm và cuộn dây có thể nâng cao hiệu suất hoạt động của xupap điện từ.

2.2. Tính toán và phân tích hiệu suất

Tính toán các thông số của xupap điện từ là rất quan trọng để đảm bảo hoạt động hiệu quả. Các yếu tố như lực từ, độ dày nam châm, và kích thước armature đều ảnh hưởng đến hiệu suất của cơ cấu xupap. Phân tích các yếu tố này giúp tối ưu hóa thiết kế, từ đó nâng cao hiệu suất động cơ và giảm thiểu khí thải. Nghiên cứu cho thấy rằng việc điều chỉnh các thông số này có thể mang lại những cải tiến đáng kể trong hiệu suất hoạt động của động cơ.

III. Ứng dụng thực tiễn của xupap điện từ

Việc áp dụng xupap điện từ trong động cơ ô tô không chỉ mang lại lợi ích về mặt kỹ thuật mà còn có ý nghĩa lớn trong việc bảo vệ môi trường. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng cơ cấu xupap điện từ có thể giảm thiểu ô nhiễm không khí và tiết kiệm nhiên liệu. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh hiện nay khi mà ô nhiễm môi trường đang trở thành vấn đề cấp bách. Các hãng sản xuất ô tô đang dần chuyển sang sử dụng công nghệ xupap điện từ để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về hiệu suất và bảo vệ môi trường.

3.1. Lợi ích kinh tế

Việc áp dụng xupap điện từ giúp giảm chi phí vận hành cho các phương tiện giao thông. Tiết kiệm nhiên liệu không chỉ mang lại lợi ích cho người tiêu dùng mà còn góp phần giảm thiểu chi phí cho các hãng sản xuất ô tô. Hơn nữa, việc giảm khí thải cũng giúp các hãng sản xuất đáp ứng các tiêu chuẩn môi trường, từ đó nâng cao uy tín và thương hiệu của họ trên thị trường.

3.2. Tác động đến môi trường

Sử dụng cơ cấu xupap điện từ có tác động tích cực đến môi trường. Việc giảm thiểu khí thải độc hại như CO, HC và NOx không chỉ giúp cải thiện chất lượng không khí mà còn bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng công nghệ xupap điện từ có thể giảm đáng kể lượng khí thải từ động cơ, góp phần vào việc bảo vệ môi trường sống.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp ô tô và nhu cầu vận chuyển ngày càng tăng, việc cải tiến công nghệ động cơ nhằm giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm khí thải độc hại trở thành vấn đề cấp thiết. Theo ước tính, ô tô chiếm phần lớn lượng khí thải CO, HC và NOx gây ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe cộng đồng. Nghiên cứu thiết kế cơ cấu xupap điện từ trên động cơ nhằm mục tiêu tối ưu hóa thời điểm và thời gian đóng mở xupap, từ đó cải thiện hiệu suất động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu và khí thải. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào động cơ xăng 4 xi lanh thẳng hàng, sử dụng phần mềm Maxwell để thiết kế và tối ưu hóa các thông số của xupap điện từ. Mục tiêu cụ thể là thiết kế cơ cấu xupap điện từ có khả năng điều khiển linh hoạt, giảm tiêu hao nhiên liệu từ 13% đến 15% và giảm khí thải CO khoảng 15%, HC khoảng 8% so với động cơ truyền thống. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ động cơ tiết kiệm nhiên liệu, thân thiện môi trường, góp phần nâng cao năng lực cạnh tranh của ngành công nghiệp ô tô trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình về cơ cấu xupap điện từ (Electromagnetic Valve Actuator - EMVA) và các hệ thống điều khiển xupap biến thiên (Variable Valve Timing - VVT). Hai loại cơ cấu xupap điện từ chính được phân tích gồm: cơ cấu dùng bộ chấp hành solenoid và cơ cấu dùng bộ chấp hành nam châm vĩnh cửu. Các khái niệm chính bao gồm:

• Xupap điện từ (EMV): Cơ cấu điều khiển đóng mở xupap bằng lực điện từ, thay thế trục cam truyền thống.
• Hệ thống điều khiển xupap biến thiên (VVT): Công nghệ điều chỉnh thời điểm và độ nâng xupap nhằm tối ưu hiệu suất động cơ.
• Lực từ trường và lực hồi vị lò xo: Các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển động và vị trí của xupap điện từ.
• Phân bố mật độ từ thông: Yếu tố quan trọng trong thiết kế cuộn dây và nam châm để đạt hiệu suất tối ưu.
• Phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM): Phương pháp mô phỏng và tối ưu hóa thiết kế cơ cấu xupap điện từ.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp phương pháp lý thuyết và thực nghiệm. Dữ liệu thu thập từ các bài báo khoa học quốc tế, tài liệu chuyên ngành về động cơ đốt trong và công nghệ xupap điện từ. Phần mềm Maxwell được sử dụng để mô phỏng từ trường, phân tích lực từ và tối ưu hóa các thông số thiết kế như kích thước armature, độ dày nam châm, bán kính lõi thép và cuộn dây điện từ. Cỡ mẫu nghiên cứu là mô hình xupap điện từ trên động cơ xăng 4 xi lanh thẳng hàng, được lựa chọn do tính phổ biến và khả năng ứng dụng thực tế cao. Phương pháp chọn mẫu dựa trên tiêu chí tối ưu hóa hiệu suất và giảm tiêu hao năng lượng. Quá trình nghiên cứu kéo dài từ tháng 10/2014 đến tháng 10/2016, bao gồm các giai đoạn: tổng quan tài liệu, thiết kế mô hình, mô phỏng và phân tích kết quả. Phân tích dữ liệu tập trung vào các chỉ số tiêu hao nhiên liệu, lượng khí thải CO và HC, so sánh với động cơ truyền thống để đánh giá hiệu quả của cơ cấu xupap điện từ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tiết kiệm nhiên liệu: Cơ cấu xupap điện từ giúp giảm tiêu hao nhiên liệu từ 13% đến 15% so với động cơ truyền thống. Kết quả này được xác nhận qua mô phỏng và phân tích lực từ trường, cho thấy khả năng điều khiển thời điểm đóng mở xupap linh hoạt hơn, tối ưu hóa quá trình nạp và xả khí.

2. Giảm khí thải CO: Lượng khí CO thải ra giảm khoảng 15%, nhờ việc điều chỉnh chính xác thời điểm mở xupap xả, giúp khí thải được đẩy ra ngoài hiệu quả hơn, giảm hiện tượng cháy không hoàn toàn.

3. Giảm khí HC: Hàm lượng khí HC giảm khoảng 8%, do quá trình cháy trong buồng đốt được cải thiện nhờ điều khiển thời gian mở xupap nạp và xả phù hợp với từng chế độ tải động cơ.

4. Tối ưu hóa thiết kế: Qua phân tích phần tử hữu hạn, các thông số như độ dày nam châm, bán kính armature và mật độ dòng điện trong cuộn dây được tối ưu hóa để đạt lực từ lớn nhất với mức tiêu thụ năng lượng thấp, đảm bảo hoạt động ổn định và bền bỉ của xupap điện từ.

Thảo luận kết quả

Việc giảm tiêu hao nhiên liệu và khí thải đạt được nhờ khả năng điều khiển độc lập và linh hoạt của xupap điện từ, vượt trội so với hệ thống trục cam truyền thống có thời điểm đóng mở cố định. So sánh với các nghiên cứu quốc tế về hệ thống điều khiển xupap điện từ sử dụng nam châm vĩnh cửu cho thấy kết quả tương đồng về hiệu quả năng lượng và giảm khí thải. Biểu đồ so sánh lượng nhiên liệu tiêu hao và khí thải giữa động cơ truyền thống và động cơ sử dụng xupap điện từ minh họa rõ ràng sự cải thiện đáng kể. Tuy nhiên, nhược điểm của hệ thống là chi phí thiết kế và sản xuất cao hơn, cùng với yêu cầu kỹ thuật điều khiển phức tạp. Ngoài ra, hiện tượng va đập mạnh giữa xupap và bệ xupap do lực hút nam châm lớn có thể gây ồn và mài mòn nhanh, cần được khắc phục trong các nghiên cứu tiếp theo. Kết quả nghiên cứu góp phần mở rộng ứng dụng công nghệ xupap điện từ trong ngành kỹ thuật cơ khí động lực, hướng tới phát triển động cơ tiết kiệm nhiên liệu và thân thiện môi trường.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng công nghệ điều khiển xupap điện từ: Khuyến nghị các nhà sản xuất ô tô trong nước nghiên cứu và áp dụng cơ cấu xupap điện từ để giảm tiêu hao nhiên liệu và khí thải, hướng tới tiêu chuẩn khí thải Euro 5 trở lên. Thời gian thực hiện trong vòng 3-5 năm, phối hợp với các viện nghiên cứu và trường đại học.

2. Tối ưu hóa thiết kế cơ cấu xupap: Tiếp tục nghiên cứu cải tiến thiết kế armature, nam châm và cuộn dây nhằm giảm hiện tượng va đập và tiếng ồn, nâng cao độ bền của xupap điện từ. Chủ thể thực hiện là các trung tâm nghiên cứu công nghệ ô tô, với mục tiêu giảm 20% tiếng ồn trong 2 năm tới.

3. Phát triển hệ thống điều khiển điện tử: Xây dựng hệ thống điều khiển ECU chuyên dụng cho xupap điện từ, đảm bảo độ chính xác cao trong việc điều chỉnh thời điểm và độ nâng xupap theo từng chế độ tải động cơ. Mục tiêu nâng cao hiệu suất động cơ thêm 5% trong vòng 3 năm.

4. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về thiết kế và vận hành hệ thống xupap điện từ cho kỹ sư và kỹ thuật viên trong ngành cơ khí động lực. Thời gian triển khai liên tục, nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển công nghệ mới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và giảng viên ngành cơ khí động lực: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế xupap điện từ, hỗ trợ nghiên cứu phát triển công nghệ động cơ tiết kiệm nhiên liệu.

2. Kỹ sư thiết kế động cơ ô tô: Tham khảo để áp dụng các giải pháp điều khiển xupap linh hoạt, cải thiện hiệu suất và giảm khí thải trong thiết kế động cơ mới.

3. Các doanh nghiệp sản xuất và lắp ráp ô tô trong nước: Hướng dẫn áp dụng công nghệ xupap điện từ nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí vận hành và đáp ứng tiêu chuẩn môi trường.

4. Sinh viên cao học và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật cơ khí: Tài liệu tham khảo quý giá cho các đề tài nghiên cứu liên quan đến điều khiển xupap và tối ưu hóa động cơ đốt trong.

Câu hỏi thường gặp

1. Xupap điện từ khác gì so với xupap truyền thống?
   Xupap điện từ sử dụng lực điện từ để điều khiển đóng mở thay vì trục cam cơ khí, cho phép điều chỉnh thời điểm và độ nâng xupap linh hoạt hơn, giúp tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải.

2. Lợi ích chính của việc sử dụng xupap điện từ trên động cơ là gì?
   Giúp giảm tiêu hao nhiên liệu từ 13% đến 15%, giảm khí thải CO khoảng 15% và HC khoảng 8%, đồng thời cải thiện hiệu suất và mô-men xoắn động cơ ở các chế độ tải khác nhau.

3. Nhược điểm của cơ cấu xupap điện từ là gì?
   Chi phí thiết kế và sản xuất cao, yêu cầu hệ thống điều khiển phức tạp, và hiện tượng va đập mạnh có thể gây ồn và mài mòn nhanh các chi tiết xupap.

4. Phần mềm Maxwell được sử dụng trong nghiên cứu như thế nào?
   Maxwell được dùng để mô phỏng từ trường, phân tích lực từ và tối ưu hóa các thông số thiết kế của xupap điện từ nhằm đạt hiệu suất tối ưu với mức tiêu thụ năng lượng thấp.

5. Cơ cấu xupap điện từ có thể áp dụng cho loại động cơ nào?
   Phù hợp với động cơ xăng 4 xi lanh thẳng hàng và có thể mở rộng ứng dụng cho các loại động cơ đốt trong khác nhằm cải thiện hiệu suất và giảm khí thải.

Kết luận

• Đề tài đã thiết kế thành công cơ cấu xupap điện từ trên động cơ xăng 4 xi lanh, sử dụng phần mềm Maxwell để tối ưu hóa các thông số kỹ thuật.
• Cơ cấu xupap điện từ giúp giảm tiêu hao nhiên liệu từ 13% đến 15% và giảm khí thải CO khoảng 15%, HC khoảng 8% so với động cơ truyền thống.
• Nghiên cứu làm rõ ưu nhược điểm của hai loại cơ cấu xupap điện từ dùng solenoid và nam châm vĩnh cửu, đề xuất giải pháp khắc phục hiện tượng va đập và tiếng ồn.
• Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn quan trọng, góp phần phát triển công nghệ động cơ tiết kiệm nhiên liệu, thân thiện môi trường trong nước.
• Các bước tiếp theo bao gồm hoàn thiện thiết kế, phát triển hệ thống điều khiển điện tử và thử nghiệm thực tế trên động cơ, đồng thời đào tạo nguồn nhân lực kỹ thuật chuyên sâu.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp ô tô trong nước phối hợp triển khai ứng dụng công nghệ xupap điện từ để nâng cao hiệu quả sản xuất và bảo vệ môi trường.