Toyota phát minh ra hệ thống Dual VVT-i có thể thay đổi được pha phânphối khí liên tục tùy thuộc vào tốc độ động cơ khác nhau do ECU động cơ điềukhiển, hệ thống sẽ làm trễ, sớm hay giữ n
Lí do sử dụng công nghệ
Hệ thống Dual VVT-i
Động cơ ô tô hoạt động với tốc độ thay đổi, mỗi tốc độ tương ứng với các thông số khác nhau về thời điểm, độ nâng và thời gian mở của xupap Đối với động cơ cổ điển, pha phân phối khí tối ưu thường chỉ được xác định ở một số vòng quay nhất định, dẫn đến hiệu suất đốt nhiên liệu kém khi động cơ hoạt động ở tốc độ không phù hợp Để khắc phục hạn chế này, hệ thống phân phối khí hiện đại đã ra đời, cho phép điều chỉnh thời điểm mở xupap, độ mở và thời gian mở theo từng tốc độ động cơ, nhằm tối ưu hóa quá trình nạp và xả khí Mỗi hãng xe phát triển công nghệ riêng để cải tiến cơ cấu thay đổi pha phân phối khí và độ nâng xupap, mang lại hiệu suất hoạt động tốt hơn cho động cơ.
Toyota đã phát minh ra hệ thống Dual VVT-i, cho phép điều chỉnh pha phân phối khí liên tục dựa trên tốc độ động cơ, nhờ vào sự điều khiển của ECU Hệ thống này có khả năng điều chỉnh thời điểm phối khí, từ đó tối ưu hóa hiệu suất động cơ Dual VVT-i cải tiến không chỉ điều phối van nạp mà còn van xả, giúp tiết kiệm nhiên liệu, tăng công suất và giảm ô nhiễm khí thải đáng kể so với phiên bản trước Chính vì vậy, công nghệ Dual VVT-i được ứng dụng rộng rãi trên các động cơ của Toyota.
Hệ thống VANOS
Cơ cấu VANOS, được gọi là DOPPER VANOS, điều khiển cả trục cam nạp và thải Hệ thống này sử dụng bánh xích dẫn động từ trục khuỷu, kết nối với trục then hoa, hoạt động dưới áp suất dầu từ hệ thống bôi trơn với áp suất lên tới 100 bar, cho phép trục then hoa di chuyển dọc trục Bánh răng nghiêng của trục then hoa ăn khớp với bánh răng nghiêng dẫn động trục cam, giúp trục cam xoay một góc 600 độ theo trục khuỷu, trong khi cam nạp dịch chuyển 600 độ và cam xả dịch chuyển 450 độ Cả hai trục cam đều xoay theo hướng mở muộn nhờ vào việc dẫn động từ trục khuỷu VANOS kết hợp giữa cơ chế điều khiển cơ khí và hệ thống điều khiển thủy lực, được quản lý bởi hệ thống điều khiển động cơ DME.
Hệ thống VANOS điều khiển các cơ cấu của động cơ, giúp thay đổi vị trí trục cam nạp so với trục khuỷu Công nghệ Double_VANOS nâng cao khả năng điều chỉnh các trục cam xupap nạp và xả, cho phép tối ưu hóa hoạt động của động cơ ở mọi tốc độ và vị trí chân ga Khi tốc độ động cơ giảm xuống mức thấp nhất, VANOS cải thiện chất lượng hoạt động ổn định Ở tốc độ trung bình, xupap nạp mở sớm hơn, tăng khả năng hút khí vào xylanh, từ đó cải thiện lưu thông không khí và giảm tiêu hao nhiên liệu Ở tốc độ cao, xupap nạp mở muộn hơn, tối ưu hóa công suất và mô men xoắn của động cơ, đồng thời tiết kiệm nhiên liệu hiệu quả.
Hệ thống điều chỉnh VANOS tối ưu hóa việc phân phối khí bằng cách điều chỉnh trục cam nạp và xả, cho phép kiểm soát thời điểm mở và đóng các xupap theo nhu cầu của động cơ Nhờ vào việc điều chỉnh này, lượng nhiên liệu tiêu thụ được tiết kiệm hơn khi động cơ hoạt động ở các chế độ khác nhau, đồng thời giảm thiểu lượng nhiên liệu thất thoát qua khí thải Kết quả là chi phí nhiên liệu giảm, đồng thời công suất định mức của động cơ được tăng cường, nâng cao hiệu quả kinh tế trong quá trình sử dụng.
Cấu tạo
Hệ thống Dual VVT-i
2.1.1 Mô tả tổng thể hệ thống Dual VVT-i
Hệ thống Dual VVT-i trên động cơ
Hệ thống Dual VVT-i được phát triển nhằm điều chỉnh trục cam nạp và xả trong khoảng 50 độ và 40 độ của góc trục khuỷu, mang lại thời điểm phối khí tối ưu cho động cơ Sự cải tiến này không chỉ nâng cao mô men xoắn ở mọi dải tốc độ mà còn giúp tiết kiệm nhiên liệu và giảm lượng khí thải, góp phần bảo vệ môi trường.
Tổng thể một hệ thống Dual VVT-i gồm:
Bộ điều khiển Dual VVT-i được lắp đặt ở đầu trục cam, giúp tạo ra sự khác biệt về thời gian giữa trục cam và trục khuỷu thông qua một thiết bị truyền động thủy lực.
Van điều khiển dầu phối khí trục cam (OCV) điều khiển áp suất dầu tới bộ điều khiển Dual VVT-i theo lệnh ECU.
Bộ xử lý trung tâm ECU 32 bit tính thời điểm mở van tối ưu dựa trên điều kiện vận hành động cơ.
Bơm và đường dẫn dầu, các xupap, cùng với các cảm biến như cảm biến vị trí trục khuỷu, cảm biến lưu lượng khí nạp, cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến nhiệt độ nước làm mát, và cảm biến vị trí trục cam, đều đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điều khiển động cơ Tín hiệu tốc độ xe cũng là yếu tố cần thiết để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu của phương tiện.
The Dual VVT-i system consists of several key components, including the Intake Camshaft Timing Oil Control Valve and the Exhaust Camshaft Timing Oil Control Valve, which manage the timing of the intake and exhaust camshafts Additionally, it features the Intake and Exhaust Camshaft Position Sensors to monitor their respective positions, alongside the Crankshaft Position Sensor for overall engine timing The system also incorporates the Engine Coolant Temperature Sensor to gauge coolant temperature, the Mass Air Flow Meter to measure the intake air volume, and the Throttle Position Sensor to track the throttle's position, ensuring optimal engine performance and efficiency.
2.1.2 Cấu tạo hệ thống Dual VVT-i
Hệ thống Dual VVT-i bao gồm bộ điều khiển giúp xoay trục cam nạp và xả, sử dụng áp suất dầu làm lực xoay Van điều khiển dầu phối khí trục cam cũng đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh hướng đi của dầu.
2.1.2.1 Bộ điều khiển Dual VVT-i
Mỗi bộ điều khiển Dual VVT-i bao gồm một vỏ được dẫn động bởi xích cam và các cánh gạt được cố định trên trục cam nạp và xả.
Bộ điều khiển Dual VVT-i có cánh gạt bốn cánh ở cả hai bên nạp và xả Áp suất dầu từ phía trục cam nạp và xả sẽ điều chỉnh các cánh gạt, cho phép thay đổi liên tục thời điểm phối khí của trục cam.
Khi động cơ dừng, chốt khóa sẽ giữ trục cam nạp ở vị trí muộn nhất và trục cam xả ở vị trí sớm nhất, đảm bảo động cơ khởi động chính xác Bộ điều khiển Dual VVT-i ở ống xả được trang bị một lò xo trợ lực phía trước, lò xo này tạo ra mô men xoắn trước khi động cơ dừng, giúp đảm bảo sự ăn khớp của chốt khóa.
Khi động cơ khởi động, nếu áp suất dầu không đến bộ điều khiển Dual VVT-i ngay lập tức, chốt hãm sẽ giữ lại các cơ cấu hoạt động của bộ điều khiển này nhằm ngăn chặn hiện tượng tiếng gõ.
Bộ điều khiển Dual VVT-i bên nạp
The Dual VVT-i intake controller consists of several key components: the housing, which serves as the main body; a vane fixed to the intake camshaft; a lock pin for securing positions; a sprocket that engages with the timing chain; and the intake camshaft itself It operates by transitioning between a locked state and an operational state, regulated by oil pressure, to optimize engine performance.
Bộ điều khiển Dual VVT-i bên xả
The Dual VVT-i exhaust controller consists of key components including the Advance Assist Spring, which provides necessary support; a fixed vane attached to the exhaust camshaft, ensuring optimal airflow; and the exhaust camshaft itself, which plays a crucial role in regulating engine performance.
2.1.2.2 Van điều khiển dầu phối khí trục cam
Cấu tạo Van điều khiển dầu phối khí trục cam
The Dual VVT-i Controller features both an advanced side and a retarded side, allowing for precise control of engine timing Key components include the spring, drain, and spool valve, which work together to optimize performance Notably, on the oil control valve, the early and late timing functions can be reversed, enhancing the system's versatility.
Hệ thống VANOS
Hệ thống điện điều khiển bao gồm modul điều khiển động cơ, có chức năng kích hoạt các van solenoid VANOS dựa trên biểu đồ chương trình được lưu trữ trong DME, thông qua các tín hiệu đầu vào.
Nhiệt độ nước làm mát
Tùy thuộc vào loại hệ thống VANOS mà sử dụng solenoid loại on/off hay điều độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation)
Loại VANOS Điều chỉnh vô cấp
M50TU Single Không 1 Solenoid on/off
M52 Single Không 1 Solenoid on/off
M52TU Double Có 2 Solenoid pwm
S52 Single Không 1 Solenoid on/off
M62TU Single Có 2 Solenoid pwm
S62 Double Có 8 Solenoid pwm+1 pwm
S85 Double Có 4 Solenoid pwm+1 pwm
Hệ thống điều khiển thủy lực bao gồm bơm dầu tạo áp lực, tác động lên pittông van solenoid để điều khiển dòng dầu Dòng dầu này ảnh hưởng đến bộ chấp hành cơ khí của hệ thống VANOS, giúp thay đổi vị trí trục cam.
Hệ thống điều khiển cơ khí:
Bánh răng nghiêng của đĩa xích và trục then hoa
Các chi tiết hệ thống điều khiển cơ khí
Đĩa xích trong hệ thống VANOS được dẫn động bởi trục khuỷu động cơ và không gắn cứng với trục cam, mà liên kết thông qua then hoa Bánh răng nghiêng trên đĩa xích ăn khớp với bánh răng nghiêng của trục then hoa, trong khi trục cam liên kết với trục then hoa bằng bánh răng thẳng Trục then hoa có khả năng di chuyển dọc theo trục nhờ áp suất thủy lực, giúp thay đổi vị trí tương đối giữa trục cam và đĩa xích Góc độ thay đổi này phụ thuộc vào hướng nghiêng ban đầu của trục then hoa và bánh răng đĩa xích, cho thấy rằng bộ chấp hành cơ khí của tất cả các hệ thống VANOS hoạt động theo nguyên lý tương tự.
Nguyên lí hoạt động
Hệ thống Dual VTT-i
3.1.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống Dual VVT-i
Trong quá trình hoạt động, cảm biến vị trí trục khuỷu, vị trí bướm ga và lưu lượng khí nạp cung cấp dữ liệu quan trọng cho ECU nhằm tính toán thông số phối khí Cảm biến nhiệt độ nước làm mát động cơ cung cấp dữ liệu hiệu chỉnh, trong khi cảm biến vị trí trục cam và trục khuỷu cung cấp thông tin về tình trạng phối khí thực tế Dựa trên các yếu tố này, ECU tổng hợp lệnh phối khí tối ưu cho buồng đốt trong vài phần nghìn giây, quyết định góc đóng mở của các xupap Áp lực dầu tác động đến bộ điều khiển phối khí, mở xupap vào thời điểm thích hợp, cho phép Dual VVT-i điều chỉnh vô cấp hoạt động của các góc phối khí xupap, thay thế hệ thống cam kiểu cũ.
Cảm biến đo nồng độ oxy tại ống góp xả cung cấp thông tin về tỷ lệ phần trăm nhiên liệu được đốt cháy, giúp ECU điều chỉnh chế độ nạp và xả một cách tối ưu Điều này không chỉ tiết kiệm xăng mà còn góp phần bảo vệ môi trường.
The Dual VVT-i system operates through a series of key components, including the Vehicle Speed Signal, which monitors the speed of the vehicle, and the Target Valve Timing that sets the optimal timing for valve operation The system also incorporates Correction to adjust the timing as needed, ensuring the Actual Valve Timing aligns with the target Additionally, Duty Cycle Control manages the effective duty cycle, while the Camshaft Timing Oil Control Valve regulates oil flow to the camshaft, enabling precise control over valve timing for improved engine performance and efficiency.
3.1.2 Nguyên lí hoạt động Dual VVT-i
Bộ điều khiển Dual VVT-i điều chỉnh trục cam nạp dựa trên áp suất dầu, cho phép điều chỉnh thời điểm phối khí sớm, muộn hoặc duy trì ECU động cơ tối ưu hóa thời điểm mở và đóng van dựa trên tốc độ động cơ, lưu lượng khí nạp, vị trí bướm ga và nhiệt độ nước làm mát, từ đó kiểm soát van điều khiển dầu Ngoài ra, ECU sử dụng tín hiệu từ cảm biến vị trí trục cam và trục khuỷu để tính toán và điều chỉnh thời điểm phối khí chính xác, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Van điều khiển dầu phối khí trục cam được điều khiển bởi ECU động cơ thông qua tỷ lệ hiệu dụng và điều xung PWM, nhằm kiểm soát vị trí của van ống và phân phối áp suất dầu đến bộ điều khiển Dual VVT-i, từ đó điều chỉnh thời điểm mở xupap nạp sớm hoặc muộn Khi động cơ ngừng hoạt động, góc mở xupap nạp sẽ được giữ ở mức muộn tối đa Van điều phối này kiểm soát áp suất dầu đến bộ điều khiển Dual VVT-i tương ứng với độ lớn dòng điện từ ECU động cơ.
3.1.2.1 Phương pháp thay đổi thời điểm phối khí
Hệ thống điều khiển thời điểm phối khí hoạt động bằng cách xoay trục cam theo góc quay của trục khuỷu, nhằm đạt được thời điểm phối khí tối ưu cho động cơ Quá trình này dựa trên tín hiệu từ các cảm biến, giúp cải thiện hiệu suất hoạt động của động cơ trong các điều kiện khác nhau.
Sơ đồ điều khiển van biến thiên liên tục Retard (Làm muộn thời điểm phối khí); Advance (Làm sớm thời điểm phối khí)
Làm sớm thời điểm phối khí
Khi van điều khiển dầu phối khí trục cam được định vị đúng như hình vẽ, bộ ECU động cơ sẽ điều chỉnh áp suất dầu để tác động lên khoang cánh gạt, giúp sớm thời điểm phối khí và quay trục cam theo chiều làm sớm thời điểm phối khí.
Tín hiệu điều khiển từ ECU đến van điều khiển dầu phối khí trục cam (PWM)
Làm sớm thời điểm phối khí bên nạp Rotation Direction (Hướng quay)
Làm sớm thời điểm phối khí bên nạp
Làm muộn thời điểm phối khí
Khi ECU đặt van điều khiển thời điểm phối khí trục cam ở vị trí như trong
Tín hiệu điều khiển từ ECU đến van điều khiển dầu phối khí trục cam (PWM)
Làm muộn thời điểm phối khí bên nạp
Làm muộn thời điểm phối khí bên xả
ECU động cơ xác định góc phối khí chuẩn dựa trên tình trạng vận hành Sau khi thiết lập thời điểm phối khí, van điều khiển dầu sẽ duy trì áp lực dầu để giữ thời gian phối khí hiện tại Điều này giúp điều chỉnh thời gian van theo vị trí mong muốn và ngăn ngừa tình trạng cạn kiệt dầu động cơ khi không cần thiết.
Tín hiệu điều khiển từ ECU đến van điều khiển dầu phối khí trục cam (PWM)
3.1.3.2 Điều khiển thời điểm phối khí
Trên các động cơ hiện đại trang bị hệ thống phân phối khí thông minh Dual VVT-i, pha phân phối khí có thể điều chỉnh để tối ưu hóa hiệu suất động cơ ở mọi chế độ Trong chế độ chạy không tải, công suất chỉ đủ để vượt qua lực ma sát, dẫn đến tốc độ động cơ thấp và nguy cơ chết máy khi có tải tăng đột ngột Để cải thiện tình trạng này, cần điều chỉnh tỉ lệ hòa khí nạp vào xylanh cho đậm hơn và giảm khí thải còn sót lại, giúp quá trình đốt cháy hiệu quả hơn Việc điều chỉnh pha phân phối khí trễ hơn sẽ giúp thải sạch khí cháy ra ngoài, từ đó ổn định chế độ không tải và nâng cao tính kinh tế nhiên liệu.
Khi động cơ hoạt động ở chế độ tải nhẹ (Range 2), áp suất trong ống góp hút rất thấp, dẫn đến hiện tượng khí xả từ ống góp xả bị hút trở lại Do đó, thời điểm phối khí của trục cam nạp cần được điều chỉnh trễ lại và độ trùng điệp của xupap giảm Những điều chỉnh này giúp ổn định tốc độ động cơ.
Chế độ tải trung bình (Range 3) của động cơ được điều chỉnh với pha phân phối khí sớm và tăng độ trùng lặp xupap, nhằm tối ưu hóa tuần hoàn khí thải (EGR) Sự điều chỉnh này không chỉ cải thiện ô nhiễm khí xả mà còn nâng cao tính tiết kiệm nhiên liệu và hiệu suất làm việc của động cơ.
Chế độ tải trung bình
Trong phạm vi tốc độ thấp tới trung bình với tải nặng, áp suất trên đường ống nạp lớn hơn xupap nạp, do đó cần đóng sớm xupap nạp để hòa khí vào một cách hiệu quả Việc này giúp cải thiện hiệu suất thể tích nạp và nâng cao mômen xoắn ở tốc độ thấp tới trung bình.
Tốc độ thấp tới trung bình với tải nặng
Trong điều kiện tốc độ cao và tải trọng lớn (Phạm vi 5), việc điều chỉnh thời điểm đóng xupap nạp là cần thiết để tận dụng quán tính của dòng khí nạp Điều này giúp cải thiện hiệu suất thể tích nạp, từ đó nâng cao công suất đầu ra.
Tốc độ cao với tải cao
Khi nhiệt độ động cơ thấp, việc giảm góc trùng điệp xupap giúp ngăn chặn hiện tượng cháy xấu, đồng thời ổn định tốc độ không tải nhanh và cải thiện hiệu suất tiết kiệm nhiên liệu.
Khi nhiệt độ động cơ thấp
Khi khởi động hoặc khi động cơ ngừng, góc trùng điệp ở vị trí nhỏ nhất để cải thiện tính khởi động và cho lần khởi động tiếp theo.
Khi khởi động hoặc khi động cơ ngừng
Giản đồ thời điểm phối khí trên động cơ 2ZR-FE
Hệ thống VANOS
Đĩa xích A được dẫn dộng bởi trục khuỷu giữa tâm có răng nghiêng ăn khớp với trục B
Trục B được kết nối với pittông Khi áp lực thủy lực tác dụng lên pittông sẽ làm trục này di chuyển dọc trục.
Cấu tạo cơ cấu VANOS
Vanos được thiết lập để làm trễ thời điểm phối khí bằng cách điều chỉnh dòng dầu tác động lên mặt sau của pittông gần trục cam Khi pittông di chuyển sang trái, trục B cũng sẽ dịch chuyển theo, dẫn đến sự thay đổi góc phối khí theo hướng làm trễ thời điểm này.
Làm trễ thời điểm phối khí
Khi đã xác định được thời điểm phối khí tối ưu, DME sẽ duy trì tỉ lệ hiệu dụng của xung điều khiển để đảm bảo vị trí trục cam hợp lý.
Giá trị độ rộng xung (thời gian on, duty cycle) mà DME gửi đến solenoid quyết định áp lực dầu tác động lên pittông, từ đó điều chỉnh thời điểm phối khí, có thể làm trễ, sớm hoặc giữ nguyên thời điểm này.
Ưu và nhược điểm của hệ thống
Bảng so sánh
Tên hệ thống Dual VVT-i VANOS Dual VVT-iE
Lexus nổi bật với động cơ hoạt động êm ái và nhẹ nhàng, mang lại sự ổn định ở tốc độ thấp Khi tăng tốc, động cơ vẫn duy trì công suất và hiệu năng tối đa, cho phép trải nghiệm lái xe mượt mà và mạnh mẽ.
- Tăng mômen xoắn ở tốc độ thấp và tốc độ trung bình mà không ảnh hưởng nhiều tới phạm vi công suất động cơ.
- Tăng tính tiết kiệm nhiên liệu do tối ưu hóa góc
- Ưu điểm nổi bật của hệ thống này là làm việc chính xác ở tốc độ thấp và nhiệt độ động cơ thấp.
Sự kết hợp giữa điều khiển trục cam điện và thủy lực giúp tối ưu hóa hiệu suất động cơ, đồng thời giảm đáng kể lượng nhiên liệu tiêu thụ và khí độc hại phát sinh trong quá trình cháy.
Hệ thống điều khiển ECU đã tối ưu hóa tốc độ xử lý và nâng cao tính năng hoạt động của động cơ, mang lại khả năng gia tốc cực nhạy và mạnh mẽ hơn so với các dòng xe không được trang bị hệ thống này.
- Giảm ô nhiễm khí thải do tối ưu hóa góc trùng điệp của xupap.
- Chế độ cầm chừng ổn định tiêu hao nhiên liệu, mức độ phát thải trên động cơ và đặc biệt là tăng được công suất của động cơ.
- Không ảnh hưởng bởi nhiệt độ dầu
Nhược điểm - Kết cấu phức tạp nên việc nâng cấp hệ thống
- Mô men xoắn và công suất ở đầu ra thấp
- Hệ thống phức tạp dẫn đến việc
- Giá thành cao các dòng xe không trang bị hệ thống này là không thể.
- Nhiều cơ cấu chi tiết hơn nên thường xảy ra hư hỏng, chi phí bảo dưỡng sửa chữa cao hơn.
- Phụ thuộc vào sự tuần hoàn của dầu. khó bảo dưỡng và sửa chữa
Sơ lượt về hệ thống Dual VVT-iE của Lexus
Hệ thống Dual VVT-iE (Variable Valve Timing - intelligent by Electric motor) là phiên bản nâng cấp của hệ thống Dual VVT-i, sử dụng động cơ điện để điều khiển thời gian cam nạp, trong khi cam xả vẫn được điều khiển bằng thủy lực Lần đầu tiên được giới thiệu trên động cơ 1UR-FE của xe Lexus LS 460 vào năm 2007, hệ thống này cho phép động cơ điện dẫn động trục cam nạp quay cùng tốc độ với trục cam ECU có khả năng điều chỉnh thời gian mở van bằng cách điều khiển động cơ điện quay nhanh hơn hoặc chậm hơn so với tốc độ trục cam, từ đó tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của động cơ.
Lịch sử cải tiến
Hệ thống Dual VVT-i
5.1.1 Quá trình cải tiến VVT thành Dual VVT-i
Hệ thống VVT hoạt động đơn giản tại vòng quay cố định 4400 vòng/phút trên động cơ 20 xupap 4AGE Tín hiệu từ ECU kích hoạt van điều khiển dầu, mở đường dẫn dầu qua cam nạp đến bộ điều khiển VVT Áp suất dầu đẩy piston trong bộ điều khiển, điều chỉnh pully bên ngoài theo hướng của piston nhờ vào thiết kế then hình trôn ốc Khi ECU gửi tín hiệu, van điều khiển dầu mở, dẫn đến bộ điều khiển VVT hoạt động sớm hơn 30 độ so với góc quay trục khuỷu, tức là sớm hơn 15 độ so với trạng thái ban đầu.
Sơ đồ điều khiển van biến thiên liên tục
Hệ thống truyền động điều khiển bằng dây đai cho cả hai trục cam, kết hợp với cơ cấu điều phối van biến thiên hai giai đoạn, sử dụng bộ điều khiển VVT được lắp đặt trên trục cam nạp, là công nghệ áp dụng cho động cơ 4AGE loại 91 màu bạc và loại 95 màu đen.
Cơ cấu VVT cổ điển
VVT-i, viết tắt của Variable Valve Timing – Intelligent, là công nghệ van biến thiên thông minh do Toyota phát triển, hoạt động dựa trên nguyên lý điện - thủy lực Hệ thống VVT-i của Toyota đã thay thế cho VVT (Hệ thống pha cam điều khiển bằng thủy lực 2 giai đoạn) và được ra mắt từ năm
1991 trên động cơ 4A-GE 5 van mỗi xi lanh.
Hệ thống VVT-i được giới thiệu trên động cơ 1JZ-GTE và 2JZ-GTE vào năm 1996, cho phép điều chỉnh thời gian mở van nạp thông qua việc thay đổi mối quan hệ giữa bộ truyền động trục cam và trục cam nạp Áp suất dầu động cơ được sử dụng để điều chỉnh vị trí trục cam, giúp tối ưu hóa thời gian trùng lặp giữa việc đóng van xả và mở van nạp, từ đó nâng cao hiệu suất động cơ Các biến thể của hệ thống này bao gồm VVTL-i, Dual VVT-i, VVT-iE, VVT-iW và Valvematic.
VVT-i thế hệ II (1995-2004) được phát triển để tối ưu hóa thời điểm phối khí bằng cách điều chỉnh trục cam trong khoảng 40 đến 60 độ so với trục khuỷu Hệ thống này sử dụng tín hiệu từ các cảm biến để đảm bảo hiệu suất động cơ tốt nhất trong các điều kiện hoạt động khác nhau.
Sơ đồ điều khiển van biến thiên liên tục
Hệ thống truyền động điều khiển bằng dây đai cho cả hai trục cam, cùng với cơ cấu điều phối van biến thiên liên tục, được trang bị bộ điều khiển VVT-I trên trục cam nạp Công nghệ này được áp dụng cho các động cơ như 1JZGE loại 96, 2JZ-GE loại 95, 1JZ-GTE loại 00 và 3S-GE loại 97.
Hệ thống VVT-i trên động cơ JZ
1 – Bộ điều khiển VVT-i, 2 - Van điều khiển dầu phối khí trục cam, 3 - Cảm biến vị trí trục cam, 4 -
Cảm biến vị trí trục khuỷu
Truyền động điều khiển bằng dây đai và bánh răng giữa các trục cam là một phần quan trọng trong cơ cấu điều phối van biến thiên, sử dụng bộ điều khiển VVT-i Hệ thống này được áp dụng cho các động cơ như 1MZ-FE loại 97, 3MZ-FE, 3S-FSE, 1JZ-FSE, 2JZ-FSE, 1G-FE loại 98, 1UZ-FE loại 97, 2UZ-FE loại 05, nhằm tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của động cơ.
Hệ thống VVT-i trên động cơ MZ
1 - cảm biến vị trí bướm ga, 2 - cảm biến vị trí trục cam, 3 - van điều khiển dầu phối khí trục cam,
4 - cảm biến nhiệt độ nước, 5 - cảm biến vị trí trục khuỷu
Bộ điều khiển VVT-i trên động cơ
Truyền động điều khiển bằng xích được sử dụng cho cả hai trục cam, với cơ cấu điều phối van biến thiên VVT-i được lắp đặt trên đĩa xích trục cam nạp Hệ thống này áp dụng cho các động cơ NZ, AZ, ZZ, SZ, KR và 1GR-FE loại 04.
Hệ thống VVT-i trên động cơ AZ
1 - van điều khiển dầu phối khí trục cam, 2 - cảm biến vị trí trục cam, 3 - cảm biến nhiệt độ nước, 4 - cảm biến vị trí trục khuỷu, 5 - bộ điều khiển VVT-i
Hệ thống VVTL-i, phát triển từ công nghệ VVT-i, sử dụng cơ cấu đổi vấu cam để điều chỉnh hành trình của van nạp và van xả Được giới thiệu lần đầu trên động cơ 2ZZ-GE trong mẫu xe Toyota Celica vào năm 2000, hệ thống này mang lại hiệu suất tối ưu cho động cơ.
Hệ thống VVTL-i cho phép đạt công suất cao mà không làm giảm hiệu quả nhiên liệu hay tăng ô nhiễm khí thải Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của nó tương tự như hệ thống VVT-i, với việc chuyển đổi giữa hai vấu cam khác nhau để điều chỉnh hành trình van ECU động cơ điều khiển quá trình này thông qua van điều khiển dầu VVTL, dựa trên tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ nước làm mát và cảm biến vị trí trục khuỷu.
Hệ thống VVTL-i được cấu thành từ các bộ phận tương tự như hệ thống VVT-i, nhưng có những đặc điểm nổi bật Các bộ phận đặc biệt của hệ thống VVTL-i bao gồm van điều khiển dầu VVTL và các trục cam cùng cò mổ, giúp tối ưu hóa hiệu suất động cơ.
Hệ thống Dual VVT-i được phát triển từ hệ thống VVT-i của hãng Toyota.
Hệ thống Dual VVT-i của Toyota, lần đầu tiên ra mắt trên động cơ 3S-GE vào năm 1998 và sau đó được trang bị trên động cơ V6 2GR-FE vào năm 2005, hiện đang được sử dụng rộng rãi trên các động cơ Toyota và Lexus Cấu tạo và hoạt động của Dual VVT-i tương tự như hệ thống VVT-i, giúp tối ưu hóa quy trình nạp và xả, từ đó nâng cao công suất, giảm khí thải, tiết kiệm nhiên liệu và kéo dài tuổi thọ động cơ.
5.1.2 Quá trình cải tiến Dual VVT-i thành các hệ thống khác
Valvematic là công nghệ Dual VVT-i kết hợp với hệ thống nâng van biến thiên liên tục, giúp điều chỉnh thời gian và nâng van nhằm cải thiện hiệu quả nhiên liệu Công nghệ này kiểm soát lượng nhiên liệu và không khí thông qua việc điều khiển van, thay vì sử dụng tấm ga thông thường Được giới thiệu lần đầu vào năm 2007 trên tàu Noah và sau đó vào năm 2009 trên động cơ ZR của tàu Avensis, Valvematic có thiết kế đơn giản hơn so với Valvetronic và VVEL, cho phép đầu xi lanh giữ nguyên chiều cao trên các động cơ 1ZR-FAE, 2ZR-FAE và 3ZR-FAE.
Hệ thống Valvematic trên động cơ
Bộ truyền động VVT (xả) và bộ truyền động VVT (nạp) là hai thành phần quan trọng trong hệ thống động cơ Trục cam xả và trục cam nạp đóng vai trò quyết định trong việc điều khiển quá trình nạp và xả khí Bộ điều khiển van và bộ điều chỉnh giúp tối ưu hóa hiệu suất động cơ Bên cạnh đó, bộ điều chỉnh mi và các loại van như van nạp, van xả cũng góp phần quan trọng trong việc kiểm soát dòng khí Các bộ phận như bộ phận xả xích, bộ phận giảm tốc độ căng và bộ căng thủy lực hỗ trợ trong việc duy trì hoạt động ổn định và hiệu quả của hệ thống.
Valvematic cho phép điều khiênr nâng van nạp trong khoảng 0,9 đến10,9 mm Theo đó, thời gian mở van thay đổi trong khoảng 106 độ đến 260 (góc quay trục khuỷu).
Sơ đồ điều khiển van biến thiên liên tục
VVT-iE, hay Định thời van biến thiên thông minh bằng động cơ điện, là phiên bản nâng cấp của Dual VVT-i Công nghệ này sử dụng cơ cấu chấp hành điện để điều chỉnh và duy trì thời gian nạp của trục cam, trong khi thời điểm trục cam xả vẫn được kiểm soát bởi bộ truyền động thủy lực.
Hệ thông VANOS
Hệ thống VANOS trên động cơ BMW là công nghệ điều chỉnh thời điểm mở xupap bằng cách thay đổi vị trí tương đối giữa trục cam và trục khuỷu Hệ thống này cho phép xoay trục cam lên đến 400 độ so với góc quay của trục khuỷu, đồng thời điều chỉnh liên tục để tối ưu hóa hiệu suất động cơ trong mọi điều kiện hoạt động Khác với các hệ thống của các hãng khác, VANOS kết hợp giữa cơ khí và thủy lực, được quản lý bởi DME, hệ thống điều khiển động cơ của xe.
Single VANOS, được giới thiệu vào năm 1992 trên động cơ BMW M50, là hệ thống điều chỉnh vị trí của trục cam nạp so với trục khuỷu dựa vào tốc độ động cơ và vị trí bàn đạp ga Ở tốc độ thấp, xupap nạp được mở trễ để duy trì chế độ cầm chừng ổn định Tại tốc độ trung bình, xupap nạp mở sớm hơn nhằm tăng góc trùng điệp, tạo hiệu ứng EGR, từ đó tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải ô nhiễm Ở tốc độ động cơ cao, xupap nạp lại được mở trễ để tối đa hóa công suất động cơ.
Hệ thống trục cam 400 và 250 với sự kết hợp của hai trục cam giúp tối ưu hóa hiệu suất động cơ Công nghệ Double VANOS kéo dài thời gian mở của xupap lên hơn 120 độ và tăng độ nâng xupap thêm 0,9mm Tuy nhiên, để đảm bảo việc điều chỉnh nhanh chóng và chính xác, hệ thống yêu cầu áp suất thủy lực lớn.
Ảnh hưởng của hệ thống đến các kỹ thuật sử dụng trên động cơ.33
Hệ thống Dual VVT-i
Hệ thống Dual VVT-i đã thay thế van tuần hoàn khí thải (EGR) bằng cách kiểm soát thời gian khí trơ trong buồng đốt, giúp tối ưu hóa quá trình cháy Việc này không chỉ cải thiện hiệu suất động cơ mà còn giảm thiểu khí thải NOx, nhờ vào khả năng điều chỉnh nhiệt độ đốt cháy hiệu quả hơn.
Không có van tuần hoàn khí thải (EGR) Van có hệ thống Dual VVT-i
Hệ thống VANOS
Xu hướng phát triển ô tô hiện đại hiện nay tập trung vào việc gia tăng tốc độ tối đa từ 180-250 km/h lên 250-330 km/h, đồng thời giảm tiêu hao nhiên liệu Để đạt được mục tiêu này, các giải pháp như điều khiển pha phối khí và thay đổi hành trình xupap thông minh đang được áp dụng nhằm tối ưu hóa hiệu suất động cơ.
Xu hướng phát triển ô tô hiện đại hiện nay tập trung vào việc tăng tốc độ tối đa từ 180-250 km/h lên 250-330 km/h đồng thời giảm tiêu hao nhiên liệu Để đạt được điều này, các giải pháp như điều khiển pha phối khí và thay đổi hành trình xupap thông minh đã được đưa ra Nhiều hãng xe lớn trên thế giới đang áp dụng công nghệ này, với các hệ thống như VVTL-i của Toyota, VTEC của Honda, MIVEC của Mitsubishi, VALVETRONIC của BMW, và VVEL của Nissan, khẳng định tầm quan trọng của việc cải thiện hiệu suất động cơ.
Tình hình sử dụng hiện tại và tương lai ở Việt Nam và thế giới
Hệ thống Dual VVT-i
Công nghệ Dual VVT-i hiện đang được áp dụng trên nhiều dòng xe của Toyota, bao gồm Camry, Altis, Prado và Landcruiser thế hệ mới Trong tương lai, công nghệ này cũng sẽ được tích hợp vào các dòng xe Vios.
Xe Vios, mẫu xe gia đình hạng nhỏ của Toyota, là một trong những Sedan cỡ nhỏ trung cấp phổ biến nhất tại Việt Nam Từ đầu năm 2017 đến nay, Vios luôn đứng đầu trong danh sách các mẫu xe bán chạy nhất Xe được trang bị động cơ 1.5L Dual VVT-i tiên tiến, với công suất tối đa 107Hp tại 600 rpm và mô men xoắn cực đại 140Nm tại 4200rpm, đạt tiêu chuẩn khí thải Euro 4.
Toyota Yaris là một mẫu xe hatchback cỡ nhỏ được ưa chuộng tại Việt Nam Xe được trang bị động cơ 1.5L thế hệ mới với công nghệ DOHC và Dual VVT-i, cùng với hộp số tự động vô cấp, mang lại hiệu suất vận hành ấn tượng.
Toyota Corolla Altis là một mẫu xe Sedan hạng nhỏ cao cấp, nổi bật trong phân khúc của mình Kể từ khi ra mắt lần đầu vào năm 1966, Corolla đã trở thành một biểu tượng trong ngành ô tô, với doanh số ấn tượng lên tới 80 triệu xe trên toàn cầu, làm hài lòng hàng triệu khách hàng.
Sử dụng động cơ tiên tiến với công nghệ Dual VVT-i và trục cam kép DOHC, xe đạt tiêu chuẩn khí thải Euro 4 Phiên bản 1.8L mang lại công suất tối đa 138Hp tại 6400rpm và momen xoắn cực đại 173Nm tại 4000rpm.
Toyota Camry 2017 vừa ra mắt tại Việt Nam, đánh dấu thế hệ thứ 8 của dòng sedan trung cao cấp nổi tiếng toàn cầu Mẫu xe này được lắp ráp trong nước và trang bị hộp số tự động 6 cấp, sử dụng động cơ 2.5L đạt tiêu chuẩn khí thải Euro 4 Phiên bản Q và G của Camry sản sinh công suất tối đa 178Hp tại 6000 rpm và mô men xoắn cực đại 231Nm tại 4100 rpm, với công nghệ động cơ Dual VVT-i, DOHC và ACIS.
Hệ thống VANOS
Công nghệ Vanos hiện đang được trang bị trên nhiều dòng xe của BMW, bao gồm BMW M5, BMW 760 E66, BMW 325i E46, cũng như các mẫu xe trong series 3 và series 5 Trong tương lai, công nghệ này cũng sẽ được áp dụng cho các dòng xe BMW X3, BMW M3 và BMW M4.
Thế hệ động cơ xăng động lực kép mới nhất của BMW mang lại khả năng cung cấp năng lượng nhanh chóng và độ nhạy chân ga tuyệt vời, ngay cả ở vòng tua thấp Động cơ này không chỉ hiệu quả hơn mà còn giảm phát thải và cải thiện hiệu năng so với thế hệ trước Sự kết hợp giữa công nghệ phun nhiên liệu tiên tiến và hệ thống điều khiển trục cam biến thiên thông minh, bao gồm Double-VANOS, cùng với công nghệ tăng áp hiện đại, đánh dấu bước đột phá trong chiến lược phát triển BMW EfficientDynamics Nhờ những công nghệ này, động cơ BMW trở nên đặc biệt hiệu quả và đã nhiều lần giành giải thưởng Động cơ của năm, khẳng định danh tiếng của nó với khả năng chuyển giao năng lượng năng động, vận hành mượt mà và hiệu suất ấn tượng.
Công nghệ BMW EfficientDynamics đã mang đến những ý tưởng tiên phong cho các thế hệ động cơ, được chứng minh và áp dụng rộng rãi trong hầu hết các động cơ xăng hiện nay.
Hệ thống phân phối khí thông minh Dual VVT-i của Toyota và VANOS của BMW là hai công nghệ tiên tiến trong ngành ô tô, với cấu tạo và nguyên lý hoạt động độc đáo Bài viết phân tích ưu điểm và nhược điểm của từng hệ thống, đồng thời điểm qua lịch sử cải tiến của chúng Việc hiểu rõ về Dual VVT-i và VANOS giúp người tiêu dùng lựa chọn xe hơi phù hợp hơn với nhu cầu sử dụng.
Kết quả mang lại cho động cơ bao gồm việc tiết kiệm nhiên liệu, giảm ô nhiễm khí thải nhờ vào thời điểm phân phối khí phù hợp, và việc điều chỉnh thời điểm phối khí hợp lý giúp tăng cường công suất cũng như moment xoắn của động cơ.
Bài tiểu luận gặp hạn chế do thời gian có hạn, chưa thể nghiên cứu sâu tất cả các hệ thống của các hãng xe trên thị trường để so sánh với hệ thống Dual VVT-i và VANOS Ngoài ra, nghiên cứu chỉ dừng lại ở lý thuyết mà chưa thực hiện thí nghiệm hay mô hình thực tế, dẫn đến việc chưa thể hiện rõ các kết quả đạt được.
