PHẦN MỞ ĐẦU
Mục tiêu nghiên cứu
Nhằm hiểu rõ hơn hệ thống điều khiển van biến thiên VVT.
Nhiệm vụ nghiên cứu
Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phân loại hệ thống VVT của một số hãng xe.
Đối tượng nghiên cứu
Hệ thống điều khiển van biến thiên (Variable Valve Timing) trên động cơ xe ô tô.
Phương pháp nghiên cứu
Dựa trên những kiến thức được học trên trường, trong sách và những tài liêu liên quan trênInternet.
NỘI DUNG
Khái niệm
VVT, viết tắt của Variable Valve Timing, hay còn gọi là Định thời Van Biến Thiên, là hệ thống điều khiển thời điểm mở và đóng van trong động cơ Quá trình này cho phép thay đổi thời gian nâng van, nhằm cải thiện hiệu suất, tiết kiệm nhiên liệu và tối ưu khí thải Hệ thống VVT đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả hoạt động của động cơ, giúp đáp ứng tốt hơn nhu cầu vận hành.
Trong ứng dụng mở rộng, VVT kết hợp với hệ thống nâng van biến thiên (VVL) tạo thành hệ thống điều khiển van biến thiên VVT được định nghĩa là quá trình thay đổi thời điểm, lực nâng, khoảng, và thời gian của sự kiện nâng van Để đạt được điều này, có nhiều phương pháp khác nhau, từ thiết bị cơ khí cho đến hệ thống điện thủy lực và không cam.
Lịch sử
Hệ thống VVT có nguồn gốc từ thời kỳ đầu của động cơ hơi nước, khi thời gian mở van được gọi là “cắt hơi” Bánh van Stephenson, được áp dụng trên các động cơ đầu xe lửa cổ điển, đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh thời gian nạp hơi nước vào xy lanh, từ đó tối ưu hóa hiệu suất sinh công của động cơ.
Chiếc Clerget V-8 200 mã lực, thử nghiệm từ những năm 1910, đã sử dụng trục cam trượt để điều chỉnh thời gian van Động cơ Bristol Jupiter đầu những năm 1920 tích hợp bánh răng điều khiển van biến thiên, chủ yếu để điều chỉnh thời gian van đầu vào nhằm tối ưu hóa tỷ số nén cao hơn Động cơ Lycoming R-7755 cũng có hệ thống định giờ van biến thiên với hai cam mà phi công có thể lựa chọn, một cho cất cánh và truy đuổi, một cho bay tiết kiệm.
Hệ thống điều khiển van biến thiên, lần đầu tiên được áp dụng trên Cadillac Runabout và Tonneau vào năm 1903, được phát minh bởi Alanson Partridge Brush.
Năm 1919, thiết kế trưởng của Vauxhall đã phát triển một động cơ 4,4 lít mang tên H-type Động cơ này nổi bật với trục cam duy nhất đặt trên cao, cho phép điều chỉnh các thùy trục cam khác nhau hoạt động linh hoạt.
Vào năm 1958, Porsche đã áp dụng công nghệ cam dao động nhằm nâng cao hiệu suất và thời gian hoạt động của van Hệ thống cam desmodromic được điều khiển thông qua một thanh đẩy hoặc kéo từ trục lệch tâm hoặc tấm chắn gió, tuy nhiên, chưa có thông tin rõ ràng về việc có bất kỳ nguyên mẫu hoạt động nào được phát triển.
FIAT là hãng xe hơi tiên phong trong việc phát minh hệ thống thay đổi thời điểm phối khí và độ nâng van Hệ thống này, được phát triển bởi Giovanni Torazza vào cuối những năm 1960, sử dụng áp suất thủy lực để điều chỉnh điểm tựa của cam Áp suất thủy lực thay đổi theo tốc độ động cơ và áp suất của van nạp, cho phép độ mở của van thay đổi lên tới 37%.
Vào tháng 9 năm 1975, General Motors đã phát minh ra hệ thống điều chỉnh độ nâng van nhằm giảm nhiệt thoát ra từ họng van nạp Hệ thống này tập trung vào việc giảm thiểu độ nâng van tại tải trọng thấp trong khi vẫn duy trì tốc độ nạp cao, giúp thu nhỏ kích thước họng nạp Tuy nhiên, do độ nâng van quá thấp khi hoạt động, dự án đã không thành công và bị ngừng lại.
Hãng Alfa Romeo là nhà sản xuất ô tô tiên phong trong việc áp dụng hệ thống thay đổi thời điểm độ nâng van (VVT) trên các mẫu xe của mình Chiếc Alfa Romeo Spider 2.0L ra mắt năm 1980 đã sử dụng công nghệ VVT kết hợp với hệ thống phun xăng Spica và được phân phối tại thị trường Mỹ Sau đó, hệ thống này cũng được trang bị trên mẫu Alfetta 2.0 Quadrifoglio Oro vào năm 1983, cùng với nhiều mẫu xe khác của hãng.
Nissan đã phát triển hệ thống VVT cho động cơ VG30DE(TT) trên mẫu xe Concept Mid-4, tập trung vào sản xuất hệ thống NVCS (Nissan Valve-Timing Control System) để tối ưu hóa hiệu suất ở tốc độ momen xoắn nhỏ và trung bình Hệ thống NVCS này đáp ứng tốt cả yêu cầu về tốc độ cầm chừng êm dịu và hoạt động hiệu quả ở tốc độ thấp và trung bình, mặc dù vẫn có khả năng hoạt động ở tốc độ cao Động cơ VG30DE là loại đầu tiên được áp dụng công nghệ này và được lắp ráp trên mẫu xe 300ZX(Z31)300ZR vào năm 1987, đánh dấu ô tô đầu tiên sử dụng kỹ thuật điều khiển VVT bằng điện tử.
Vào năm 1989, Honda giới thiệu hệ thống VTEC (Variable Valve Timing And Lift Electronic Control), cho phép động cơ hoạt động hiệu quả trên các chế độ cam khác nhau Hệ thống này điều chỉnh thiết kế để mở van ở tốc độ động cơ thấp, giúp tiết kiệm nhiên liệu và giảm công suất Khi ở chế độ nâng cao, VTEC hoạt động liên tục ở tốc độ cao, tăng cường công suất đầu ra.
Vào năm 1992, BMW đã ra mắt hệ thống VANOS (Variable Nockenwellen Steuerung), tương tự như hệ thống NVCS của Nissan Hệ thống này cho phép điều chỉnh thời gian hoạt động của trục cam nạp một cách linh hoạt, theo từng bước hoặc giai đoạn.
Hệ thống điều khiển van biến thiên được sử dụng trên xe máy lần đầu vào cuối năm
Kỹ thuật VVT, ban đầu bị coi là vô ích vào năm 2004 do những hạn chế về khối lượng hệ thống, đã được cải tiến và ứng dụng trên nhiều mẫu xe nổi bật Các mẫu xe như Kawasaki 1400GTR/Concours 14 (2007), Ducati Multistrada 1200 (2015), BMW R1250GS (2019), Yamaha YZF-R15 V3.0 (2017) và Suzuki GSX-R1000R (2017) đã trang bị công nghệ này, chứng tỏ sự phát triển và giá trị của VVT trong ngành công nghiệp mô tô.
Nguyên lý cơ sở
Trong động cơ đốt trong, các van (xupap) điều khiển dòng khí nạp và khí thải vào và ra khỏi buồng đốt nhằm tối ưu hóa quá trình nạp và xả Quá trình này được ví như việc thở của động cơ, với các thời điểm thở được xác định bởi biên dạng cam và góc pha của cam Để tối ưu hóa nhịp thở, cần điều chỉnh thời điểm, khoảng thời gian và độ nâng van khác nhau tùy thuộc vào tốc độ và điều kiện tải của động cơ.
Thời điểm, khoảng thời gian và độ nâng của các sự kiện van có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất và tiêu hao nhiên liệu của động cơ Nếu động cơ không trang bị hệ thống điều khiển van biến thiên, thời điểm và khoảng nâng van sẽ giống nhau ở mọi tốc độ, dẫn đến việc khí nạp không kịp vào buồng đốt khi vòng tua tăng, trong khi khí thải không thoát ra nhanh chóng Để cải thiện hiệu suất, cần mở các van nạp sớm và đóng các van xả muộn hơn, tăng cường sự chồng chéo giữa thời điểm nạp và xả khi vòng quay tăng lên.
Các phương pháp điều khiển van biến thiên
2.4.1 Cam Switching hay Cam-changing VVT - VVT chuyển đổi cam
Phương pháp Cam switching, hay VVT Chuyển Đổi Cam, sử dụng hai biên dạng cam với một bộ truyền động để hoán đổi giữa chúng tại một tốc độ động cơ cụ thể Phương pháp này không chỉ cho phép chuyển đổi giữa các biên dạng mà còn có thể điều chỉnh độ nâng và thời gian van, mặc dù việc điều chỉnh này là rời rạc thay vì liên tục.
Honda đã tiên phong trong việc áp dụng công nghệ VVT (Điều khiển thời gian van) vào ô tô từ cuối những năm 1980 với hệ thống VTEC (Điều khiển điện tử thời gian van) nổi tiếng Hệ thống này lần đầu tiên xuất hiện trên các mẫu xe như Civic, CRX và NSX, và sau đó đã trở thành tiêu chuẩn cho hầu hết các mẫu xe của hãng VTEC hoạt động bằng cách thay đổi áp suất thủy lực để kích hoạt một chốt khóa, cho phép chuyển đổi giữa cò mổ nâng cao và khoảng thời gian cao sang cò mổ nâng thấp và khoảng thời gian thấp.
Cơ chế VTEC bao gồm hai bộ cam với hình dạng khác nhau, cho phép điều chỉnh thời gian và lực nâng ở hai mức tốc độ khác nhau Một bộ cam hoạt động ở tốc độ bình thường dưới 4.500 vòng/phút, trong khi bộ cam còn lại hoạt động ở tốc độ cao hơn Thiết kế này không cho phép thay đổi liên tục về thời gian và lực nâng, dẫn đến việc động cơ hoạt động ở hai chế độ điều chỉnh tương ứng với hai dải tốc độ khác nhau, được gọi là hệ thống VTEC 2 giai đoạn.
Cơ chế hoạt động VTEC của Honda
Hệ thống VVT cải thiện công suất cực đại, cho phép động cơ đạt tốc độ tối đa lên tới gần 8.000 vòng/phút và tăng thêm 30 mã lực cho động cơ 1.6 lít Để khai thác tối đa công suất này, người lái cần duy trì vòng tua máy cao và thường xuyên thay đổi số Mô-men xoắn ở tốc độ thấp tăng không đáng kể, vì vậy khả năng điều tiết không quá ấn tượng, với các cam thông thường phục vụ từ 0 đến 6000 vòng/phút, trong khi cam chậm của động cơ VTEC cần hoạt động từ 0 đến 4500 vòng/phút Do đó, hệ thống VVT phù hợp nhất với các dòng xe thể thao.
Honda đã nâng cấp hệ thống VTEC từ 2 giai đoạn lên 3 giai đoạn trên một số mẫu xe, mang lại sự tinh tế hơn cho động cơ Hệ thống này vẫn duy trì khả năng cung cấp mô-men xoắn ít lan truyền hơn so với các hệ thống biến thiên liên tục khác Đặc biệt, hệ thống chuyển đổi cam của VTEC vẫn là VVT mạnh mẽ nhất trong các loại VVT thông thường, nhờ khả năng thay đổi độ nâng của van một cách độc đáo.
Hệ thống VTEC 3-stage mới nhất của Honda đã được tích hợp vào động cơ Civic SOHC tại Nhật Bản, với cơ chế bao gồm ba cam có cấu hình thời gian và độ nâng khác nhau Cụ thể, cam giữa có kích thước lớn nhất với thời gian nhanh và độ nâng cao, trong khi cam bên phải có kích thước trung bình với thời gian chậm và nâng trung bình, và cam bên trái là nhỏ nhất với thời gian chậm và nâng thấp.
3 giai đoạn hoạt động của cam
Giai đoạn 1 (tốc độ thấp)
Cò mổ di chuyển độc lập, với cò mổ trái điều khiển van đầu vào bên trái thông qua cam trái nâng thấp, trong khi cò mổ bên phải điều khiển van đầu vào bên phải nhờ cam phải nâng trung bình Thời gian hoạt động của cả hai cam này chậm hơn so với cam giữa, khi cam giữa không điều khiển van.
Trong giai đoạn 2, áp suất thủy lực (màu cam) kết nối các cò mổ bên trái và bên phải, cho phép cò mổ giữa và cam tự chạy Do cam phải lớn hơn cam trái, các cò mổ sẽ được điều khiển bởi cam phải, dẫn đến thời gian chậm và lực nâng trung bình cho cả hai van nạp.
Trong giai đoạn 3 (tốc độ cao), áp suất thủy lực kết nối tất cả 3 cò mổ lại với nhau Cam giữa, với kích thước lớn nhất, sẽ điều khiển cả hai van nạp thông qua cam nhanh, dẫn đến thời gian nhanh hơn và lực nâng cao hơn ở cả hai van.
Hệ thống này tương tự như của Honda, với cam phải và cam trái có cấu hình giống nhau Ở tốc độ thấp, hai cò mổ được điều khiển độc lập nhờ vào thời gian chậm và nâng thấp của các cam Khi đạt tốc độ cao, cả ba cò mổ sẽ được khóa lại, được điều khiển bởi cam giữa với thời gian nhanh và nâng cao Đây là một hệ thống 3 giai đoạn.
• Giai đoạn 1 (tốc độ thấp): cả van nạp và van xả đều ở cấu hình chậm.
• Giai đoạn 2 (tốc độ trung bình): cấu hình nạp nhanh + cấu hình xả chậm.
• Giai đoạn 3 (tốc độ cao): cả van nạp và van xả đều ở cấu hình nhanh.
2.4.2 Cam Phasing VVT - VVT định pha cam
VVT Định Pha Cam (Cam Phasing VVT) là công nghệ điều chỉnh thời gian hoạt động của van thông qua việc thay đổi góc pha của trục cam Cụ thể, ở vòng tua cao, trục cam nạp được quay trước 30 ° để tối ưu hóa quá trình nạp khí Hệ thống quản lý động cơ sẽ điều khiển chuyển động này dựa trên nhu cầu hoạt động, và nó được truyền động nhờ vào các bánh răng van thủy lực.
Lưu ý rằng Cam Phasing VVT không thể thay đổi khoảng thời gian mở và độ nâng van.
Cam Phasing VVT cho phép điều chỉnh thời gian mở van sớm hoặc muộn, với việc mở cửa sớm dẫn đến việc đóng cửa sớm hơn Đây là loại VVT đơn giản và tiết kiệm nhất, vì mỗi trục cam chỉ cần một bộ truyền động pha thủy lực, khác với các hệ thống khác yêu cầu cơ cấu riêng cho từng xi lanh.
Hệ thống Cam Phasing VVT cơ bản chỉ cung cấp 2 hoặc 3 góc pha cố định như 0° hoặc 30°, trong khi hệ thống cải tiến cho phép thay đổi góc pha liên tục, mang lại thời điểm đóng mở van tối ưu ở mọi vòng quay Điều này không chỉ nâng cao tính linh hoạt của động cơ mà còn giúp quá trình chuyển đổi diễn ra mượt mà, góp phần vào việc tinh chỉnh hiệu suất tối ưu.
Nguyên lý hoạt động của VANOS
VANOS, viết tắt của Variable Nockenwellensteuerung, hay Điều khiển thời điểm trục cam biến thiên, là một hệ thống quan trọng trong động cơ Cấu trúc cơ bản của VANOS bao gồm một đĩa xích kết nối với trục cam qua một bánh răng, có thể là răng thẳng hoặc nghiêng Bên trong bánh răng có rãnh then hoa, có ít nhất một cái nghiêng, cho phép bánh răng liên kết chặt chẽ với piston Cả piston và bánh răng có khả năng di chuyển dọc theo trục cam nhờ áp suất thủy lực, tối ưu hóa hiệu suất động cơ.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống VANOS khá đơn giản: ECU nhận tín hiệu từ cảm biến và điều chỉnh van điện từ để kiểm soát áp suất dầu vào cụm xilanh – piston Độ mở của van điện từ sẽ quyết định áp suất dầu, từ đó dịch chuyển piston tùy theo mức độ mở Khi van điện từ mở đường dầu vào bên ngoài piston, áp suất sẽ đẩy piston về phía trục cam, làm cho trục cam xoay về phía trước và thay đổi thời điểm mở van Ngược lại, nếu van mở đường dầu vào bên trong piston, piston sẽ bị đẩy ra ngoài, xoay trục cam về phía sau Lưu ý rằng lượng dầu luôn đầy trong cả hai khoang của piston.
Hệ thống Vanos thường chỉ lắp ở cam nạp, một số động cơ sử dụng cho cả cam xả và gọi đó là Double Vanos hoặc Bi-Vanos
