Nghiên cứu thiết kế xupap điện từ trên động cơ ô tô

Nghiên cứu thiết kế cơ cấu xupap điện từ trên động cơ giúp tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng cho các ứng dụng công nghiệp.

• Đề tài: Thiết kế xupap điện từ cho động cơ ô tô: Giải pháp tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải
• Loại tài liệu: đề tài nghiên cứu
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Các nghiên cứu trong nước
• 1.3. Các nghiên cứu ngoài nước
• 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. Tính toán các thông số của xupap điện từ (EMV)
• 2.4. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng
• 3. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế xupap điện từ cho động cơ ô tô

Thiết kế xupap điện từ (EMV) cho động cơ ô tô đang trở thành một xu hướng quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô. Công nghệ này không chỉ giúp tiết kiệm nhiên liệu mà còn giảm thiểu khí thải độc hại. Việc áp dụng công nghệ xupap mới này cho phép điều khiển chính xác thời điểm và thời gian mở xupap, từ đó tối ưu hóa hiệu suất động cơ. Nghiên cứu cho thấy, việc sử dụng xupap điện từ có thể giảm tiêu hao nhiên liệu từ 13% đến 15% so với động cơ truyền thống.

1.1. Lợi ích của xupap điện từ trong động cơ ô tô

Xupap điện từ mang lại nhiều lợi ích cho động cơ ô tô, bao gồm khả năng điều chỉnh linh hoạt công suất và giảm thiểu khí thải. Việc sử dụng hệ thống xupap điện từ giúp cải thiện hiệu suất động cơ, đồng thời giảm lượng khí CO và HC phát thải ra môi trường. Nghiên cứu cho thấy, xupap điện từ có thể giảm lượng khí thải CO khoảng 15% và khí HC khoảng 8%.

1.2. Xu hướng phát triển công nghệ xupap điện từ

Công nghệ xupap điện từ đang được nhiều hãng sản xuất ô tô trên thế giới nghiên cứu và phát triển. Xu hướng này không chỉ nhằm mục đích tiết kiệm nhiên liệu mà còn để đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải ngày càng nghiêm ngặt. Các nghiên cứu hiện tại đang tập trung vào việc cải tiến thiết kế và tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống xupap điện từ.

II. Vấn đề và thách thức trong thiết kế xupap điện từ

Mặc dù xupap điện từ mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc thiết kế và ứng dụng công nghệ này cũng gặp phải nhiều thách thức. Một trong những vấn đề lớn nhất là đảm bảo độ bền và độ tin cậy của các bộ phận điện từ trong điều kiện hoạt động khắc nghiệt của động cơ. Ngoài ra, việc tích hợp hệ thống xupap điện từ vào động cơ hiện tại cũng đòi hỏi nhiều nghiên cứu và thử nghiệm.

2.1. Độ bền và độ tin cậy của xupap điện từ

Độ bền của xupap điện từ là một yếu tố quan trọng quyết định đến hiệu suất và tuổi thọ của động cơ. Các nghiên cứu cho thấy, việc sử dụng vật liệu chất lượng cao và thiết kế tối ưu có thể giúp tăng cường độ bền cho xupap điện từ. Tuy nhiên, việc này cũng làm tăng chi phí sản xuất.

2.2. Thách thức trong việc tích hợp công nghệ mới

Việc tích hợp công nghệ xupap điện từ vào động cơ hiện tại không phải là điều dễ dàng. Các kỹ sư cần phải đảm bảo rằng hệ thống mới hoạt động hài hòa với các bộ phận khác của động cơ. Điều này đòi hỏi nhiều nghiên cứu và thử nghiệm để đảm bảo tính tương thích và hiệu suất tối ưu.

III. Phương pháp thiết kế xupap điện từ hiệu quả

Để thiết kế một xupap điện từ hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp khoa học và công nghệ hiện đại. Việc sử dụng phần mềm mô phỏng và phân tích phần tử hữu hạn (FEM) giúp tối ưu hóa thiết kế và giảm thiểu sai sót trong quá trình sản xuất. Các nghiên cứu hiện tại đang tập trung vào việc cải tiến các thông số kỹ thuật của hệ thống xupap điện từ.

3.1. Sử dụng phần mềm mô phỏng trong thiết kế

Phần mềm mô phỏng giúp các kỹ sư có thể dự đoán hiệu suất của xupap điện từ trước khi sản xuất. Việc này không chỉ tiết kiệm thời gian mà còn giảm thiểu chi phí phát triển. Các mô hình mô phỏng cho phép kiểm tra các thông số như lực từ, độ bền và hiệu suất hoạt động của xupap.

3.2. Tối ưu hóa thông số kỹ thuật của xupap

Tối ưu hóa các thông số kỹ thuật như kích thước, vật liệu và cấu trúc của xupap điện từ là rất quan trọng. Việc này giúp cải thiện hiệu suất và độ bền của xupap. Nghiên cứu cho thấy, việc điều chỉnh các thông số này có thể giúp giảm tiêu hao năng lượng và tăng cường khả năng hoạt động của động cơ.

IV. Ứng dụng thực tiễn của xupap điện từ trong động cơ ô tô

Xupap điện từ đã được áp dụng trong nhiều loại động cơ ô tô hiện đại. Các hãng sản xuất ô tô lớn như Honda, Toyota và BMW đã tích hợp hệ thống xupap điện từ vào các mẫu xe của họ. Việc này không chỉ giúp tiết kiệm nhiên liệu mà còn giảm thiểu khí thải độc hại, đáp ứng các tiêu chuẩn môi trường nghiêm ngặt.

4.1. Các mẫu xe sử dụng xupap điện từ

Nhiều mẫu xe hiện đại đã được trang bị xupap điện từ như Honda Civic, Toyota Camry và BMW 3 Series. Những mẫu xe này không chỉ tiết kiệm nhiên liệu mà còn có hiệu suất cao hơn so với các mẫu xe truyền thống. Việc áp dụng công nghệ này đã giúp các hãng xe đạt được các tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt.

4.2. Kết quả nghiên cứu và thử nghiệm

Các nghiên cứu và thử nghiệm cho thấy, việc sử dụng xupap điện từ có thể giảm tiêu hao nhiên liệu từ 13% đến 15% và giảm khí thải CO khoảng 15%. Những kết quả này đã chứng minh tính hiệu quả của công nghệ xupap điện từ trong việc cải thiện hiệu suất động cơ và bảo vệ môi trường.

V. Kết luận và tương lai của thiết kế xupap điện từ

Thiết kế xupap điện từ cho động cơ ô tô là một giải pháp hiệu quả để tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải. Công nghệ này đang được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ, hứa hẹn sẽ mang lại nhiều lợi ích cho ngành công nghiệp ô tô trong tương lai. Việc cải tiến và tối ưu hóa thiết kế xupap điện từ sẽ tiếp tục là một trong những ưu tiên hàng đầu của các nhà sản xuất ô tô.

5.1. Tương lai của công nghệ xupap điện từ

Công nghệ xupap điện từ dự kiến sẽ tiếp tục phát triển và được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ô tô. Các nghiên cứu mới sẽ tập trung vào việc cải tiến hiệu suất và giảm chi phí sản xuất, từ đó giúp công nghệ này trở nên phổ biến hơn.

5.2. Tác động đến môi trường và xã hội

Việc áp dụng hệ thống xupap điện từ không chỉ giúp tiết kiệm nhiên liệu mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong bối cảnh biến đổi khí hậu và ô nhiễm không khí ngày càng gia tăng. Công nghệ này hứa hẹn sẽ góp phần bảo vệ môi trường và nâng cao chất lượng cuộc sống cho cộng đồng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ngành giao thông vận tải toàn cầu hiện đóng góp hơn 20% tổng lượng phát thải khí nhà kính, đặt ra áp lực cấp bách về việc giảm tiêu hao năng lượng hóa thạch và cắt giảm ô nhiễm không khí. Trong các loại động cơ đốt trong truyền thống, cơ cấu phân phối khí sử dụng trục cam cơ khí cố định khiến quá trình nạp và thải không thể tối ưu hóa tại mọi dải vòng tua, dẫn đến tổn thất bơm lớn và hiệu suất cháy suy giảm. Vấn đề nghiên cứu cốt lõi của luận văn là loại bỏ sự phụ thuộc vào trục cam cơ khí bằng cách nghiên cứu, thiết kế cơ cấu xupap điện từ (Electromagnetic Valve - EMV) cho động cơ xăng 4 xi lanh thẳng hàng, hướng tới khả năng can thiệp độc lập và linh hoạt vào thời điểm cũng như độ mở của xupap.

Mục tiêu cụ thể của đề tài là xây dựng mô hình kết cấu xupap điện từ kết hợp giữa nam châm vĩnh cửu và cuộn dây kích từ, tiến hành tính toán động lực học và mô phỏng tối ưu hóa các thông số hình học trên phần mềm chuyên dụng. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào quá trình phân phối khí của động cơ xăng 4 kỳ đánh lửa cưỡng bức trong điều kiện làm việc từ dải tải thấp đến dải tốc độ cực đại 6000 vòng/phút. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình thể hiện qua việc giảm khoảng 13% đến 15% lượng nhiên liệu tiêu hao so với động cơ thông thường, đồng thời cắt giảm khoảng 15% nồng độ khí thải CO độc hại và giảm khoảng 8% lượng hydrocacbon (HC) chưa cháy thải ra môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết nhiệt động lực học động cơ đốt trong kết hợp với lý thuyết trường điện từ Maxwell và động lực học dao động cơ học. Hệ thống phân phối khí không trục cam (Camless Engine) vận hành dựa trên nguyên lý giải phóng xupap khỏi sự ràng buộc cơ học của trục cam, cho phép điều chỉnh vô cấp thời điểm mở sớm xupap nạp (IVO), đóng trễ xupap nạp (IVC), mở sớm xupap xả (EVO) và đóng trễ xupap xả (EVC).

Bốn khái niệm kỹ thuật giữ vai trò cốt lõi trong mô hình nghiên cứu bao gồm:

1. Cơ cấu chấp hành xupap điện từ (EMVA): Thiết bị sử dụng tương tác từ trường giữa nam châm vĩnh cửu và cuộn cảm ứng để tạo lực hút/đẩy xupap.
2. Góc trùng điệp pha phân phối khí: Khoảng thời gian mà cả xupap nạp và xupap xả cùng mở, quyết định hiệu quả quét sạch khí sót và tuần hoàn khí xả nội bộ (EGR).
3. Độ nâng xupap biến thiên vô cấp (Continuous Variable Valve Lift): Khả năng thay đổi hành trình mở của nấm van từ 0 mm đến 8 mm để thay thế hoàn toàn bướm ga truyền thống, giảm thiểu tổn thất áp suất nạp.
4. Dao động cơ - điện từ cộng hưởng: Hệ thống lò xo hồi vị đối xứng tích trữ năng lượng thế năng kết hợp xung lực từ trường để đảo chiều chuyển động của phần ứng (armature).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu kỹ thuật từ thông số hình học chuẩn của động cơ xăng 4 xi lanh thẳng hàng dung tích 1.4L đến 2.0L và cơ sở dữ liệu vật liệu từ tính công nghiệp. Phương pháp phân tích chủ đạo là mô phỏng phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM) 2D và 3D thông qua phần mềm ANSYS Maxwell nhằm giải các phương trình vi phân phi tuyến của trường từ tĩnh và trường điện từ quá độ. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích phần tử hữu hạn là khả năng tính toán chính xác mật độ từ thông bão hòa tại các khe hở hẹp và dự báo chuẩn xác lực điện từ phi tuyến mà các phép tính giải tích thông thường không thể bao quát hết.

Cỡ mẫu khảo sát gồm 24 tổ hợp biến thể hình học và kích thước được chọn lọc theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao. Các biến số khảo sát bao gồm: độ dày nam châm (từ 2 mm đến 8 mm), bán kính ngoài armature (từ 15 mm đến 30 mm), và cường độ dòng điện kích từ (từ 0 NI đến 1500 NI). Quy trình nghiên cứu được triển khai trong mốc thời gian 12 tháng: giai đoạn 1 tập trung thiết lập phương trình động lực học dao động; giai đoạn 2 tiến hành mô phỏng trường từ và phân tích độ nhạy thông số; giai đoạn 3 thực hiện tối ưu hóa cấu trúc cơ cấu chấp hành xupap điện từ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình tính toán và mô phỏng số đã mang lại các phát hiện kỹ thuật quan trọng:

• Động lực học xupap đáp ứng tốc độ cực cao: Với khối lượng chuyển động của cụm armature và thân xupap được tối ưu về mức 140 g, kết hợp cùng hệ thống lò xo hồi vị có độ cứng 124 N/mm, thời gian chuyển tiếp trạng thái đóng/mở của xupap chỉ mất 3,33 ms trên toàn bộ hành trình dịch chuyển 8 mm. Kết quả này đáp ứng hoàn hảo yêu cầu phối khí khi động cơ đạt tốc độ 6000 vòng/phút.
• Tối ưu hóa lực từ và tiết kiệm năng lượng kích từ: Việc sử dụng vật liệu nam châm NdFe35 hình tròn kết hợp lõi sắt nguyên chất tạo ra lực giữ từ trường cực đại đạt 650 N ở vị trí đóng (vượt qua tải trọng đặt trước của lò xo là 150 N) và lực giữ 497 N ở vị trí mở hoàn toàn. Cơ chế khóa từ thụ động này duy trì trạng thái van mà không tiêu tốn điện năng liên tục, giúp giảm hơn 30% mức tiêu thụ điện năng so với cơ cấu solenoid truyền thống.
• Cải thiện vượt trội về chỉ tiêu kinh tế - môi trường: Khả năng điều khiển góc mở và độ nâng linh hoạt theo từng dải tải giúp động cơ giảm từ 13% đến 15% lượng tiêu thụ nhiên liệu, đồng thời giảm 15% phát thải khí CO và giảm 8% phát thải khí HC.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu 13% - 15% đạt được chủ yếu nhờ việc loại bỏ hoàn toàn bướm ga và trục cam cơ khí, giúp triệt tiêu tổn thất ma sát truyền động và giảm thiểu công cản nạp (pumping losses) khi xe vận hành ở chế độ tải cục bộ. So sánh với cơ cấu VTEC của Honda hay Valvetronic của BMW vốn chỉ tiết kiệm khoảng 10% nhiên liệu và bị giới hạn hiệu quả khi vượt ngưỡng 6000 vòng/phút do quán tính lò xo cơ khí, hệ thống xupap điện từ trong nghiên cứu này cho phép can thiệp độc lập trên từng xi lanh tại mọi thời điểm.

Dữ liệu mô phỏng mật độ từ thông được thể hiện trực quan qua các biểu đồ đường cong B-H và bản đồ phân bố đường sức từ tại các mức kích từ 0 NI và 1500 NI. Khi chưa cấp dòng (0 NI), từ thông tập trung khép kín qua phần ứng giữ van cố định; khi đảo chiều xung điện (1500 NI), từ trường cuộn dây triệt tiêu từ trường nam châm, giải phóng lực lò xo đẩy xupap dịch chuyển tức thời. Đường đặc tính quan hệ giữa lực từ và hành trình dịch chuyển cho thấy vùng quá độ diễn ra mượt mà, hạn chế hiện tượng bão hòa từ cục bộ tại các góc mép của lõi thép.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết luận nghiên cứu, bốn giải pháp cụ thể được đề xuất nhằm ứng dụng thực tiễn cơ cấu xupap điện từ:

1. Phát triển thuật toán điều khiển hạ cánh mềm (Soft-landing control): Ứng dụng giải thuật điều khiển hồi tiếp vị trí phi tuyến nhằm giảm vận tốc tiếp xúc của xupap với bệ đỡ xuống dưới 0,1 m/s trong khoảng thời gian dịch chuyển 3,33 ms, hoàn thành trong vòng 6 tháng do nhóm kỹ sư điều khiển tự động hóa thực hiện nhằm triệt tiêu tiếng ồn va đập cơ khí.
2. Chế tạo và thử nghiệm nguyên mẫu thực tế trên băng thử động lực: Lắp đặt cụm xupap điện từ hoàn chỉnh lên nắp quy-lát của động cơ xăng 4 xi lanh, kiểm chứng các chỉ tiêu tiêu hao nhiên liệu và khí xả thực tế với mục tiêu sai lệch dưới 8% so với mô phỏng, triển khai trong thời gian 9 tháng bởi các chuyên gia thử nghiệm động cơ.
3. Ứng dụng vật liệu composite từ tính mềm (SMC) và cải tiến tản nhiệt: Thay thế lõi thép bằng vật liệu composite từ tính tiên tiến nhằm nâng cao khả năng chịu nhiệt độ buồng đốt vượt ngưỡng 300°C và giảm tổn thất dòng điện xoáy Foucault, thực hiện trong 12 tháng do các kỹ sư vật liệu đảm nhiệm.
4. Xây dựng tiêu chuẩn thiết kế và tích hợp vào hệ thống điện áp 48V trên ô tô: Hoàn thiện quy chuẩn thiết kế bộ điều khiển phối khí điện tử tích hợp mạng giao tiếp CAN/FlexRay, giảm 20% chi phí sản xuất cụm chấp hành trong 18 tháng bởi các trung tâm R&D linh kiện ô tô nội địa.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thiết thực cho bốn nhóm đối tượng:

• Kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) tại các nhà máy ô tô: Tiếp cận phương pháp thiết kế, tính toán kích thước phần ứng, cuộn dây và lựa chọn nam châm NdFe35 nhằm ứng dụng trên các thế hệ động cơ đốt trong hiệu suất cao hoặc động cơ hybrid mở rộng phạm vi (EREV).
• Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Cơ khí Động lực: Sử dụng luận văn làm tài liệu chuyên khảo về động lực học cơ cấu phân phối khí không trục cam và kỹ thuật mô phỏng trường điện từ tĩnh/động trên phần mềm ANSYS Maxwell.
• Doanh nghiệp sản xuất linh kiện và phụ tùng cơ khí chính xác: Tham khảo các thông số chế tạo armature, thân xupap và lò xo chịu tải 650 N với độ cứng 124 N/mm để xây dựng quy trình gia công, tôi thấm bề mặt đáp ứng tiêu chuẩn công nghiệp ô tô.
• Chuyên gia kiểm định môi trường và cơ quan quản lý giao thông: Nắm bắt tiềm năng cắt giảm 15% CO và 8% HC từ công nghệ xupap điện từ để xây dựng lộ trình nâng cao quy chuẩn tiêu chuẩn khí thải quốc gia.

Câu hỏi thường gặp

1. Xupap điện từ EMV khác biệt như thế nào so với các hệ thống VVT-i hay VTEC truyền thống?
Hệ thống VVT-i và VTEC vẫn sử dụng trục cam cơ khí và chỉ thay đổi thời điểm hoặc độ nâng theo các bước đặt trước thông qua áp suất dầu thủy lực. Ngược lại, EMV loại bỏ hoàn toàn trục cam, điều khiển độc lập từng xupap bằng lực điện từ, cho phép thay đổi vô cấp độ mở từ 0 mm đến 8 mm theo từng chu trình cháy.

2. Hệ thống EMV giải quyết bài toán tiêu thụ điện năng trên ô tô như thế nào?
Hệ thống sử dụng cơ chế giữ van bằng nam châm vĩnh cửu NdFe35 với lực giữ 650 N ở vị trí đóng và 497 N ở vị trí mở mà không cần duy trì nguồn điện. Dòng điện chỉ được cấp trong khoảng 3,33 ms khi cần giải phóng hoặc hỗ trợ đảo chiều xupap, giúp tiết kiệm đáng kể năng lượng ắc quy.

3. Làm thế nào để khắc phục hiện tượng va đập mạnh giữa xupap và bệ đỡ khi đóng mở?
Hiện tượng va đập được xử lý bằng cách kết hợp lực cản của hệ thống lò xo hồi vị đối xứng cùng thuật toán điều chế độ rộng xung (PWM) để kiểm soát dòng kích từ. Khi armature gần chạm lõi thép, một dòng điện ngược được kích hoạt để giảm tốc độ va đập xuống mức an toàn dưới 0,1 m/s.

4. Tại sao vật liệu nam châm NdFe35 và sắt nguyên chất được lựa chọn trong thiết kế?
Nam châm NdFe35 cung cấp từ dư cao và lực kháng từ lớn, đảm bảo sinh lực hút mạnh trong kích thước nhỏ gọn. Lõi sắt nguyên chất có mật độ từ thông bão hòa cao đạt từ 1,8 T đến 2,1 T và tổn thất trễ thấp, giúp tối ưu hóa khối lượng phần ứng ở mức 140 g.

5. Thời gian đáp ứng 3,33 ms của xupap có ý nghĩa gì đối với động cơ vận hành ở 6000 vòng/phút?
Ở tốc độ 6000 vòng/phút, một chu kỳ nạp hoặc thải diễn ra trong khoảng 5 ms. Thời gian đáp ứng 3,33 ms đảm bảo xupap hoàn thành hành trình mở và đóng hoàn chỉnh, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng treo xupap hay va quẹt đỉnh piston, giúp động cơ vận hành an toàn và ổn định.

Kết luận

• Luận văn đã thiết kế thành công cơ cấu xupap điện từ sử dụng kết hợp nam châm NdFe35 và cuộn dây kích từ cho động cơ xăng 4 xi lanh thẳng hàng.
• Tối ưu hóa kết cấu chuyển động đạt khối lượng 140 g và thời gian chuyển dịch trạng thái 3,33 ms trên hành trình 8 mm, đáp ứng tốt dải vận hành lên đến 6000 vòng/phút.
• Mô phỏng chứng minh hiệu quả giảm 13% đến 15% lượng nhiên liệu tiêu hao, đồng thời cắt giảm 15% khí phát thải CO và 8% hàm lượng khí HC.
• Kế hoạch 12 tháng tiếp theo tập trung vào việc chế tạo mẫu thực nghiệm nắp quy-lát tích hợp EMV và thử nghiệm trên băng đo công suất động cơ.
• Đề tài mở ra hướng tiếp cận đột phá cho ngành công nghiệp ô tô trong nước nhằm từng bước tự chủ thiết kế các hệ thống phân phối khí thông minh, góp phần thúc đẩy sản xuất phương tiện xanh và bảo vệ môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.