Đặt vấn đề Ngày nay do sự phát triển của các ngành công nghiệp, nông nghiệp và dịch vụ trong cơ cấu kinh tế, dẫn tới nhu cầu về việc vận chuyển hàng hóa và con ngƣời ngày càng lớn. Điều này buộc các ngành liên quan đến ngành giao thông vận tải phải phát triển để đáp ứng nhu cầu của xã hội. Ngành công nghiệp ô tô cũng là một trong những ngành nhƣ vậy. Những năm trở lại đây vấn đề ô nhiễm môi trƣờng đang là một vấn đề nhức nhối và là mối quan tâm của toàn thế giới.
Khí thải các phƣơng tiện giao thông với mật độ ngày càng lớn cũng là một trong những tác nhân chính ảnh hƣởng đến sức khỏe con ngƣời và môi trƣờng xung quanh. Vấn đề hiện nay là làm thế nào để giảm lƣợng khí thải độc hại nhƣ: CO, CxHy,SOx, CO2, NOx,… thải ra môi trƣờng. Có rất nhiều nghiên cứu đƣợc các nhà khoa học thực hiện một trong số đó là cơ cấu điều khiển xupap biến thiên trên động cơ. Nghiên cứu này có ƣu điểm điều khiển đƣợc thời điểm và thời gian đóng mở của xupap, làm giảm lƣợng nhiên liệu tiêu hao và làm giảm lƣợng khí thải độc hại thải ra một trƣờng, góp một phần nhỏ vào việc bảo vệ môi trƣờng đang ngày càng trở nên cấp bách.
Các công nghệ hiện đại đang khắc phục đƣợc nhiều nhƣợc điểm của động cơ đốt trong nhƣ: Công nghệ Hybrid, công nghệ phun xăng trực tiếp,….Vấn đề trƣớc tiên nhất là giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm lƣợng khí xả độc hại gây ra ô nhiễm môi trƣờng, đảm bảo các chế độ tải khác nhau của động cơ. Trang 1 Vì vậy, nếu chúng ta có thể thiết kế đƣợc một xupap điện từ sao cho có thể gắn vào động cơ, nhằm mục đích can thiệp vào quá trình vận hành của các xi lanh, nhằm điều khiển đƣợc thời điểm và thời gian đóng mở của xupap, đây là một cách làm hiệu quả, đáp ứng đƣợc mục tiêu sao cho vừa tiết kiệm đƣợc nhiên liệu, vừa đáp ứng đƣợc mô men vận hành của ô tô ở những chế độ tải hoạt động khác nhau, và đây cũng là mục tiêu đƣợc tập trung nghiên cứu trong đề tài này.2 Các nghiên cứu trong nƣớc Hiện nay thì tình hình nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống xupap điện từ trên động cơ ô tô ở trong nƣớc là một hƣớng nghiên cứu còn khá mới mẻ. Tuy nhiên trƣớc thực trạng ô nhiễm môi trƣờng ngày càng trở nên trầm trọng cũng nhƣ nguồn nhiên liệu đang dần cạn kiệt thì đây là một đề tài cần thiết đƣợc nghiên cứu và thử nghiệm.3 Các nghiên cứu ngoài nƣớc Đối với các nhà sản xuất ô tô trên thế giới việc chế tạo ra một chiếc xe ô tô tiết kiệm nhiên liệu và ít gây ô nhiễm môi trƣờng là mục tiêu cần đạt đến. Vì vậy đã có khá nhiều các công trình nghiên cứu nhƣ sau: Bài báo 1: Designs for a New, Quick-Response, Latching Electromagnetic Valve [1] Jinho Kim, D.
Lieu Department of Mechanical Engineering Đề tài này thiết kế một xupap điện từ mới, sử dụng nam châm vĩnh cửu. Xupap mới sẽ giảm tiêu hao năng lƣợng điện, giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm thiểu khí thải và giảm ô nhiễm môi trƣờng. Kết quả Thiết kế tính toán dựa trên công cụ phần tử hữu han. Thiết kế có thể phù hợp để ứng dụng trong động cơ đốt trong.
Bài báo 2: A New Electromagnetic Engine Valve Actuator with Less Energy [2] Consumption for Variable Valve Timing Trang 2 Jinho Kim, D. Lieu Journal of Mechanical Science and Technology Đề tài thiết kế xupap từ sử dụng nam châm vĩnh cửu để tạo ra sự biến thiên có giới hạn rộng nhằm đáp ứng nhiều chế độ làm việc của động cơ. Đề tài đề xuất kết hợp giữa nam châm và cuộn dây để thiết kế một cơ cấu xupap hoạt động độc lập Xupap mới có thể biến thiên về độ mở và giảm tiêu hao nguồn điện. Kết quả Xupap mới đƣơc thiết kế nhỏ gọn, khả năng chịu nhiệt độ cao, phản ứng nhanh.4 Tổng quan về điều khiển xupap Trong những động cơ đốt trong, đặc biệt là động cơ đánh lửa cƣỡng bức, thời điểm và thời gian đóng mở xupap có ảnh hƣởng rất lớn đến hiệu suất của toàn bộ động cơ và nồng độ khí thải của nó.
Bởi vì các động cơ đánh lửa truyền thống có thời gian và thời điểm đóng mở xupap là không thay đổi nên một kết quả thỏa hiệp đƣợc đƣa ra giữa hiệu quả, hiệu suất và công suất tối đa của động cơ, đó là bằng cách sử dụng công nghệ xupap biến thiên (VVT) [3], nó có thể thực hiện đƣợc việc điều khiển độ nâng, trạng thái và thời điểm đóng mở của xupap tại mọi điểm trên biểu đồ động cơ, với kết quả là nâng cao toàn bộ hiệu suất của động cơ. Để có đƣợc các lợi ích đầy đủ đem lại từ việc sử dụng VVT, nhiều loại cơ cấu điều khiển xupap khác nhau đã đƣợc đề xuất và thiết kế. Một số cơ cấu đã đƣợc chế tạo và nó cho thấy đƣợc những lợi ích đáng kể cho sự cải tiến hiệu suất của động cơ. Trong ba thập kỷ qua, những phát triển đáng chú ý đã đƣợc thực hiện trong các lĩnh vực của VVT.
Hàng loạt các công ty ô tô nổi tiếng trên thế giới đã áp dụng công nghệ VVT trên ô tô của mình và nó đã mang lại nhiều lợi ích đáng kể, nó làm tăng công suất động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm lƣợng khí xả độc hại ra môi trƣờng bên ngoài, qua đó đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn và đem lại sự hài lòng cho khách hàng.1: Pha phân phối khí động cơ bốn kỳ của động cơ đánh lửa truyền thống. Ảnh hƣởng của việc thay đổi thời điểm mở xupap nạp. Khi xupap nạp mở thì hỗn hợp nhiên liệu khí sẽ đƣợc hút vào bên trong xy lanh đồng thời piston dịch chuyển đi xuống từ điểm chết trên (TDC), nó sẽ tiếp tục cho đến khi piston xuống tới điểm chết dƣới (BDC). Hoạt động của xupap nạp đƣợc đại diện cho sự bắt đầu của kỳ nạp cũng nhƣ khi xupap nạp và xupap xả trùng điệp nhau.
Ảnh hƣởng khi xupap nạp mở sớm: Trong các động cơ thông thƣờng, hoạt động của xupap nạp xảy ra vào khoảng 10 0 trƣớc TDC. Mở sớm xupap nạp trƣớc khi kết thúc kỳ thải có nghĩa là làm tăng gốc trùng điệp làm cho một lƣợng khí thải sẽ quay lại đƣờng ống nạp vì sự chênh lệch áp suất bên trong xy lanh động cơ và đƣờng ống nạp. Dòng khí thải ngƣợc này cũng đƣợc sử dụng cho hệ thống tuần hoàn khí thải (EGR) [3] nhằm giảm lƣợng NOx thoát ra môi trƣờng. Ngoài ra, việc mở sớm Trang 4 xupap nạp cho phép khí thải đƣợc tiếp xúc với hệ thống nạp áp suất thấp trong một khoảng thời gian dài hơn.
Nhƣ vậy, khí thải ở đƣờng ống nạp đƣợc tái sử dụng vào bên trong xy lanh ở nhiệt độ thấp hơn và dẫn đến giảm lƣợng khí NOx. Tuy nhiên, lƣợng khí xả ngƣợc lại này sẽ hòa trộn với lƣợng hỗn hợp hòa khí mới trên đƣờng ống nạp, việc pha loãng hỗn hợp hòa khí mới này sẽ làm giảm nhiệt độ bên trong buồng đốt đó là nguyên nhân tăng mức tiêu hao nhiên liệutrên động cơ. Ảnh hƣởng khi xupap nạp mở trễ: Hoạt động mở trễ của xupap nạp có xu hƣớng làm cho mất đi sự thông suốt giữa xy lanh và đƣờng ống nạp, trừ khi có sự chênh lệch áp suất giữa chúng. Sự chậm trễ trong hoạt động mở trễ của xupap nạp thậm chí gây nên áp suất xy lanh đi xuống đột ngột dƣới áp suất đƣờng ống nạp.
Sự tổn thất khi nạp sẽ tăng vì áp suất xy lanh giảm đáng kể ở giai đoạn đầu của kỳ nạp. Mặc dù sự tổn thất công hao phí trong quá trình nạp tăng nhƣng không ảnh hƣởng có hại đến hiệu suất nạp, điều này có đƣợc là bởi vì hỗn hợp hòa khí đƣợc đƣa vào xy lanh với tốc độ cao trong khi vẫn còn kỳ nạp. Vận tốc cao này tạo nên luồng xoáy của hỗn hợp hòa khí giúp cho quá trình cháy đƣợc tốt hơn và coi nhƣ một kỹ thuật tốt để giảm lƣợng khí xả hydrocacbon chƣa cháy.2 Ảnh hƣởng của việc thay đổi thời điểm đóng xupap nạp. Sự đóng của xupap nạp thể hiện cho sự kết thúc của kỳ nạp và bắt đầu của kỳ nén.
Xupap nạp đóng vào khoảng 50 0 sau điểm chết dƣới (BDC) trong kỳ nén. Ảnh hƣởng khi xupap nạp đóng sớm: Việc đóng sớm xupap nạp cơ bản dựa trên sự đóng của xupap nạp khi hỗn hợp hòa khí mong muốn đã đƣợc đƣa vào. Bằng cách này, khi điều kiện tải thấp và tốc độ thấp là cần thiết, chỉ một lƣợng nhỏ hỗn hợp mong muốn đƣợc đƣa vào từ đƣờng ống nạp của kỳ nạp. Sau đó, các xupap đóng lại trong khi vẫn còn kỳ nạp.
Đó gọi là kỳ nạp không hoàn toàn là kết quả của việc xupap nạp đóng sớm, nó làm giảm một lƣợng hỗn hợp hòa khí đƣợc nạp vào bên trong xy lanh động cơ. Đây là cách để góp phần giảm tiêu hao nhiên liệu trên động cơ. Tuy nhiên, việc đóng sớm của xupap nạp cũng gây ra một số tổn thất công hao phí quá trình nạp do các xupap có độ nâng nhỏ. Nhƣng hạn chế này có thể đƣợc cải thiện bằng cách sử dụng cơ cấu xupap biến thiên, điều này cho phép độ nâng của Trang 5 xupap lớn hơn.
Ngoài ra, sự đóng sớm của xupap nạp còn làm giảm nhiệt độ nhiên liệu trong xy lanh trong suốt kỳ nén bởi vì có một lƣợng ít hơn hỗn hợp hòa khí để đốt cháy. Ảnh hƣởng khi xupap nạp đóng trễ: Trong hệ thống đóng trễ của xupap nạp, sự đóng của xupap nạp kéo dài cho đến cuối kỳ nén. Xupap nạp vẫn còn mở một thời gian nữa trong kỳ nén và một lƣợng khí nạp đƣợc đẩy trở lại đƣờng ống nạp. Áp suất của lƣợng khí nạp này nhỏ hơn nhiều so với áp suất của khí quyển, ở kỳ nạp tiếp theo lƣợng khí nạp đó có áp suất cao sẽ đƣợc nạp trở lại xy lanh.
Điều này có nghĩa là dòng áp suất có độ lệch rất ít từ dòng khí quyển. Do đó, độ chân không đƣợc tạo ra trong động cơ có xupap nạp đóng trễ khi hút hỗn hợp hòa khí không phải là quá nhỏ do kết quả có một ít tác động để hoàn thành kỳ nạp.