Tiểu luận đề tài hệ thống phân phối khí vtec cơ khí

- Hệ thống này sẽ cưỡng chế các van dừng lại, nếu cần để tối ưu hóa dòng không khí để đạt được độ nghỉ ổn định, giúp động cơ hoạt động êm ái dù ở vận tốc thấp hay vận tốc trung bình.. Hệ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN

MỤC LỤC

NỘI DUNG………Trang

1 Lịch sử phát triển……… 4

2 Sự cải tiến công nghệ mới……….6

3 Một số phiên bản của vtec………13

6 Ưu và nhược điểm của hệ thống……….23

6.1 Ưu điểm SOHC……….23

6.2 Nhược điểm SOHC………23

6.3 Ưu điểm DOHC……….23

6.4 Nhược điểm DOHC……… 23

7 Công nghệ mới I-VTEC……… 24

8 So sánh cơ cấu phân phối khí VTEC của honda với một số cơ cấu phân phối khí của hãng xe khác……… 26

9 Nhận xét về hệ thống phân phối khí………27

3

1 Lịch sử phát triển.

- Vào những năm đầu thập niên 1980, thị trường môtô bắt đầu đặt ra yêu cầu về một động cơ môtô thể thao công suất lớn Honda đã cố gắng nghiên cứu một loại động cơ có thể vừa tạo ra công suất lớn, vừa có khả năng dẫn động trong toàn bộ dải vòng tua Với mục tiêu này, nhóm kỹ sư của Honda đã cố gắng tập trung phát triển một loại động cơ công suất 200 HP/1 lít và có độ nghỉ ổn định Trong quá trình nghiên cứu, họ đã phát hiện ra rằng, để chế tạo được một động cơ như vậy, họ cần phải tìm ra một phương pháp nào đó để chống lại việc ngăn cản dòng không khí đi vào từ các vòng tua thấp đến các vòng tua trung bình Và vấn đề đó đã được giải quyết nhờ vào hệ thống dừng van REV (Revolution-modulated valve control) - Hệ thống này sẽ cưỡng chế các van dừng lại, nếu cần để tối ưu hóa dòng không khí để đạt được độ nghỉ ổn định, giúp động cơ hoạt động êm ái dù ở vận tốc thấp hay vận tốc trung bình Chiếc môtô đầu tiên được trang bị hệ thống REV này là chiếc CBR400F sản xuất năm 1983 Từ hệ thống REV được sử dụng cho động cơ của môtô, Honda tiếp tục phát triển hệ thống VTEC dành cho ôtô Hệ thống VTEC gồm một thiết bị điều khiển thời gian mở van và hai chế độ trục cam: một cam được thiết kế để động cơ hoạt động tốt ở vòng tua thấp còn một cam khác đảm nhiệm vai trò ở vòng tua cao VTEC trên động cơ có trục cam kép (DOHC) được giới thiệu vào năm 1989 trên chiếc JDM-spec Integra và chiếc Civic CRX SiR sử dụng động cơ B16A 1.6 lít DOHC có công suất 160 HP tại vòng tua máy đáng kinh ngạc 7.600 vòng/phút, momen xoắn đạt cực đại 150 N.m ở vòng tua 7.000 vòng/phút.

- Năm 1991, hệ thống này đã đi vào thị trường Mỹ khi đó nó được thiết kế cho siêu xe thể thao Acura NSX sử dụng cụm động cơ DOHC VTEC V6 3.0 lít ( C30A ) với công suất 270 HP tại 7.100 vòng/phút, và có momen xoắn 284 N.m.

5

Khối động cơ Acura NSX 1991

2 Sự cải thiện các nhược điểm của công nghệ cũ từ công nghệ mới:

- Nhiều biến thể của VTEC đã được tạo ra trong nhiều thập kỷ để cải thiện mã lực và mô-men xoắn đồng thời giảm lượng khí thải và tăng hiệu quả sử dụng nhiên liệu Các biến thể khác nhau bao gồm VTEC-E, i-VTEC với Quản lý xi-lanh biến thiên (Variable Cylinder Management™ – VCM®), ghép nối VTEC với bộ tăng áp và i-VTEC với Điều khiển định thời biến thiên (Variable Timing Control™ – VTC™).

- VTC, mặc dù hoàn toàn không phải VTEC vì nó không làm thay đổi độ nâng hoặc thời lượng mở của các van, nhưng thường được sử dụng cùng với VTEC kể từ khi VTC được giới thiệu vào đầu những năm 2000 VTC sử dụng một van spool để dẫn dầu áp suất cao đến các khoang bên trong bánh răng dẫn động của cam, cho phép điều chỉnh liên tục vị trí của trục cam nạp so với trục khuỷu.

- Được gọi là “pha”, vị trí này có thể được điều chỉnh trong phạm vi rộng, tùy thuộc vào tải trọng của động cơ và các yếu tố khác, cho phép điều khiển cực kỳ chính xác

thời điểm van trên toàn bộ phạm vi hoạt động của động cơ Khi kết hợp với VTEC, VTC cho phép cân bằng tối ưu giữa cung cấp năng lượng, tiết kiệm nhiên liệu và khí thải.

7

Chi tiết về VTEC Honda

- Trong các động cơ đốt trong thông thường, các supap nạp và supap xả được điều khiển thông qua các con đội trên trục cam Hình dáng của các con đội sẽ xác định thời điểm đóng mở, độ nâng và khoảng thờ i gian mở của từng supap Đối với những xe đời cũ, cả hệ thống phân phối khí được dẫn động và điều khiển thống qua các cơ cấu cơ khí (khâu, khớp) thì việc đóng mở supap là cố định theo thiết kế của nhà sản xuất và không thể điều chỉnh (nó chỉ bị thay đổi khi các chi tiết mòn đi) dẫn đến lưu lượng khí nạp không đổi nên không thể tăng được công suất của động cơ.

- Do tính chất của hòa khí và sau khi cháy mà 3 thông số thời điểm, độ nâng và thời gian mở của các supap ở vòng tua thấp và vòng tua cao rất khác nhau Thông thường, khi thiết kế động cơ, các kỹ sư phải lưu ý tới điều kiện làm việc của từng xe và xác định chúng cần công suất và mômen xoắn cực đại ở vòng tua nào Nếu đặt điều kiện hoạt động tối ưu của các supap ở vòng tua thấp thì quá trình đốt nhiên liệu lại không hiệu quả khi động cơ ở trạng thái vòng tua cao, khiến công suất

chung của động cơ bị giới hạn Ngược lại, nếu đặt điều kiện tối ưu ở số vòng tua cao thì động cơ lại hoạt động không tốt ở vòng tua thấp

- Để khắc phục những nhược điểm này, các nhà sản xuất ô tô HONDA đưa ra giải pháp là tìm cách tác động để thời điểm đóng mở supap, độ mở và khoảng thời gian mở biến thiên theo từng vòng tua khác nhau sao cho chúng mở đúng lúc, khoảng mở và thời gian mở đủ để lấy đầy hòa khí vào buồng đốt Trên thực tế, điều chỉnh một cách hoàn toàn cả 3 thông số này của supap là điều rất khó.

Ảnh hệ thống phân phối khí tích hợp điều khiển bằng điện

- Để giải quyết vấn đề này, có thời kỳ người ta sử dụng một cuộn cảm để điều chỉnh supap thay vì sử dụng biên dạng cam Tuy nhiên, kỹ thuật trên không được sản xuất do quá phức tạp và rất đắt Cách tiếp cận ngược lại là điều chỉnh supap sao cho động cơ hoạt động tố vòng tua cao Điều này có nghĩa xe sẽ hoạt động rất yếu ở khi tốc độ vòng tua thấp và hoạt động tốt ở vòng tua cao Tuy nhiên cùng với sự

9

phát triển của kỹ thuật điện tử nhà sản xuất HONDA đã kết hợp hoàn hảo cơ khí để cho phép điều chỉnh các thông số: thời điểm đóng mở supap, độ mở và khoảng thời gian mở để đạt được hiệu suất làm việc tối ưu cho động cơ.

- Từ khoảng đầu những năm 2000, những người sử dụng xe ở việt nam mới biết đến khái niệm “hệ thống nạp thông minh” và càng ngày công nghệ này càng trở nên quen thuộc và chúng ta có thể dễ dàng bắt gặp nó trên các xe của Honda, dưới cái tên là I-VTEC Có nhiệm vụ là điều khiển thời điểm đóng mở, khoảng nâng cũng như khoảng thời gian đóng mở supap để tối ưu hóa công suất làm việc của động cơ giúp nâng cao hiệu quả làm việc, giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và khí xả, tuy nhiên mỗi nhà sản xuất ôtô lại đưa ra một các phương pháp khác nhau để giải quyết vấn đề này và sử dụng hai vấu cam có biên dạng khác nhau: VTEC của Honda là viết tắt của thuật ngữ "Variable valve Timing and lift Electronic Control" Hệ thống này được phát triển nhằm cải thiện hiệu quả của các động cơ đốt trong tại các dải vòng tua động cơ khác nhau.

Ảnh công nghệ mới I-VTEC

- Công nghệ mới i-VTEC (chữ I lấy từ Intelligent) là công nghệ điều khiển van biến thiên liên tục trên van nạp ở các động cơ của Honda, ở i-VTEC, trục cam điều khiển van nạp có thể thay đổi một góc trong khoảng từ 25 đến 50 độ (tùy thuộc vào cấu trúc động cơ) khi đang vận hành Các trạng thái của trục cam được máy tính điều khiển dựa trên các dữ liệu về tải trọng xe và vòng tua máy Tác dụng của i-VTEC là nâng mômen xoắn của động cơ, đặc biệt khi ở tốc độ vòng tua trung bình Trên mẫu Civic bán tại Việt Nam, Honda trang bị i-VTEC ở cả động cơ I4 trục cam kép DOHC và I4 trục cam đơn SOHC Sự ra đời của hệ thống phân phối khí VTEC đã mang lại luồng sinh khí mới cho hãng sản xuất ôtô HONDA

11

Ảnh mô tả bên trong các chi tiết hệ thống I-VTEC

- Chức năng chính của cơ cấu phối khí là điều khiển quá trình nạp đầy hỗn hợp (hoặc không khí mới) vào xylanh và thải sạch khí thải ra khỏi xylanh Hai thông số chính có ảnh hưởng quyết định đến chất lượng của quá trình nạp đầy và thải sạch là pha phân phối khí và tiết diện lưu thông của hỗn hợp khí Pha phân phối khí được hiểu là các giai đoạn từ lúc mở đến lúc đóng supap tính bằng góc quay trục khuỷu, còn tiết diện lưu thông của hỗn hợp khí đi qua một supap là diện tích hình vành khăn được tạo bơi họng đế supap và phần đế của xu-páp khi supap đó mở Trên các loại động cơ thông thường, tiết diện lưu thông của hỗn hợp khí luôn tuân theo một quy luật không đổi ở tất cả các chế độ làm việc khác nhau của động cơ Vì vậy ở

một số chế độ (tải nhỏ, tăng tốc, toàn tải,…) thời gian đóng mở supap không hoàn toàn hợp lý, lượ ng nhiên liệu cung cấp cũng chưa phù hợp với chế độ làm việc của động cơ gây tổn hao nhiên liệu và mất mát công suất Chính vì vậy, hệ thống điều khiển pha phối khí thông minh ra đời đã khắc phục được các nhược điểm trên.

Dựa vào sơ đồ pha phân phối khí để cải tiến của cơ cấu phân phối khí 3 Một số phiên bản của VTEC.

- VTEC-E: là hệ thống bộ truyền động van trong đó hai chế độ cam điều khiển van có kích thước khác nhau Cam ngắn hơn cho phép một van mở với độ mở ít và điều này làm giảm mức tiêu hao nhiên liệu Giống hệ thống VTEC ban đầu, khi động cơ đạt số vòng/phút lớn hơn, chốt khóa khóa cam thiết kế cho vòng tua cao và thời gian mở van được tăng lên để đạt được công suất lớn hơn.

13

Ảnh VTEC-E

- 3STAGE VTEC: Hệ thống này sử dụng 3 chế độ ca m khác nhau hoạt động ở 3 pha Mỗi cam điều khiển một pha thời gian mở và nâng van khác nhau.

Ảnh 3STAGE VTEC

- I-VTEC: (Intelligent VTEC) là hệ thống điều khiển van thành công nhất từ trước tới nay của hãng Honda và được ứng dụng trên nhiều mẫu xe Hệ thống i -VTEC được giớ i thiệu năm 2001 và sử dụng thiết bị điều chỉnh thời gian van nạp biến thiên liên tục và hệ thống quản lý do máy tính điều khiển để tối ưu hóa mô men xoắn và hiệu suất sử dụng nhiên liệu.

15

- AVTEC: Advanced VTEC được hãng Honda giới thiệu năm 2006 Hệ thống này kết hợp những lợi thế của hệ thống i-VTEC với hệ thống điều khiển pha biến thiên liên tục Hãng Honda cho biết hệ thống AVTEC sẽ cho phép tiết kiệm 13% nhiên liệu so với hệ thống i-VTEC và giảm tới 75% khí thải so với tiêu chuẩn năm 2005 Tuy vậy, cho đến nay, hệ thống này vẫn chưa được trang bị cho các mẫu xe ô tô mới được sản xuất.

4 Công nghệ VTEC.

- VTEC là thuật ngữ viết tắt từ cụm "Variable valve Timing and lift Electronic Control" Hệ thống này được phát triển nhằm cải thiện hiệu quả của các động cơ đốt trong tại các dải vòng tua động cơ khác nhau VTEC của Honda là một trong nhiều công nghệ điều van biến thiên trên thế giới như VVT-i của Toyota hay VarioCam plus của Porsche VTEC được kỹ sư thiết kế động cơ của Honda, Ông Kenichis Nagahiro sáng tạo nên.

- Hệ thống VTEC nhằm cải thiện hiệu suất động cơ ở tốc độ thấp và cao bằng cách bố trí hai loại vấu cam ở mỗi xy lanh, vấu cam tốc độ thấp và cấu cam tốc độ cao Tùy theo điều kiện làm việc cụ thể của động cơ mà sử dụng loại vấu cam phù hợp.

Cơ cấu phân phối khí VTEC

Chi tiết cấu tạo 17

- VTEC sẽ điều khiển các thông số của van nạp, xả hoặc cả hai sao cho hòa khí đi vào buồng đốt hay khí xả đi ra một cách thích hợp nhất Đối với hệ thống nạp, biến đổi độ dài của các đường ống nạp được áp dụng có thể điều khiển được chiều dài tối ưu của đường ống nạp, nghĩa là làm cho độ dài của đường ống nạp lớn hơn - Ở công nghệ VTEC động cơ bố trí 4 xupap cho mỗi xy lanh, bao gồm 2 xupap nạp và 2 xupap thải Điều khác biệt là trên mỗi trục cam có 3 vấu cam 2 vấu cam điều khiển cho động cơ làm việc ở tốc độ thấp còn vấu cam còn lại điều khiển cho động cơ làm việc ở tốc độ cao Hai vấu cam làm việc ở dải tốc độ thấp có biên độ mở nhỏ, còn cam làm việc ở dải vòng quay lớn thì có biên độ mở lớn Các piston lắp đặt bên trong cò mổ sẽ đẩy piston đồng bộ di chuyển cùng hướng để ép piston chặn và lò xo hoàn lực lại tạo sự liên kết hai cò mổ lại với nhau Khi mất áp lực dầu, dưới sự hoàn lực của lò xo thông qua piston chặn sẽ được piston đồng bộ trở về làm tách 2 cò mổ mở riêng lẻ.

Chi tiết hoạt động các vấu cam

Mô tả xupap mở nhiều và ít

- Việc chuyển đổi giữa chế độ cam thấp và chế độ cam cao được thực hiện bằng cách sử dụng dòng dầu để điều khiển chốt cò mổ giúp liên kết hoặc tách riêng các cò mổ với nhau ECU ( bộ điều khiển điện tử ) nhận biết và theo dõi biến thiên của tốc độ động cơ, tải trọng động cơ, tốc độ xe và nhiệt độ nước, để từ đó gửi các mệnh lệnh thích hợp.

19

- Khi động cơ hoạt động ở tốc độ thấp, trục liên kết được nhả ra giúp tách kết nối giữa chốt cò giữa và các chốt còn lại Hệ thống van xả nạp được vận hành bởi trục cam thấp ở phía ngoài cho độ mở hệ thống van thấp.

- Ở chế độ hoạt động ở tốc độ cao, áp lực dầu được tăng lên đẩy chốt liên kết, giúp kết nối chốt cò giữa với các chốt còn lại Hệ thống van được điều khiển bởi trục cam cao ở giữa cho độ mở của hệ thống van cao.

5 Phân loại.

- Công nghệ VTEC có hai dạng: DOHC VTEC và SOHC VTEC 5.1 DOHC VTEC.

5.1.1Cấu tạo:

- Động cơ trang bị hệ thống DOHC VTEC được bố trí bốn supap cho mỗi xylanh bao gồm: hai supap nạp và hai supap xả Ngoài hai vấu cam và hai cò mổ như động cơ thông thường, nó còn được trang bị thêm một cò mổ thứ ba (cò mổ giữa) và một vấu cam thứ ba (vấu cam trung tâm) Hai vấu cam bên ngoài điều khiển sự hoạt động ở tốc độ thấp, còn vấu cam trung tâm điều khiển sự phân phối khí ở tốc độ cao Để có thể chuyển đổi sự phân phối khí này, người ta bố trí hai piston thủy lực nằm bên trong cò mổ thứ nhất và cò mổ giữa với nhiệm vụ là kết nối các cò mổ thành một khối duy nhất hay tách chúng riêng rẽ với nhau dưới sự điều khiển của áp lực dầu Ngoài ra, phía dưới cò mổ còn được trang bị thêm một lò xo phụ với chức năng giữ cho cò mổ giữa luôn luôn tiếp xúc với vấu cam trung tâm ở tốc độ thấp đồng thời tạo ra sự êm dịu hơn ở tốc độ cao

Chú thích:

1 - Trục Cam 2 - Vấu cam tốc độ thấp 3 - Vấu cam tốc độ cao 4 - Cò mổ thứ nhất 5 - Cò mổ giữa 6 - Cò mổ thứ 2 7 - Piston thủy lực A 8 - Piston thủy lực B 9 - Chốt chặn 10 - Lò xo phụ 11 - Supap thải 12 - Supap hút

5.1.2 Nguyên lý hoạt động:

- Đây là kiểu động cơ kết hợp ưu điểm về công suất ở số vòng quay động cơ cao của xe đua và số vòng quay thấp của xe khách thông thường để tạo nên loại động cơ duy nhất Động cơ này có khả năng tạo ra một momen lớn ở tốc độ thấp, đồng thời còn phát ra một công suất rộng và tối đa ở tốc độ cao Hai điểm khác biệt chính giữa động cơ xe khách thông thường và xe đua là thời gian và biên độ mở của supap nạp và thải khác nhau Ở động cơ xe đua, thời gian mở supap dài hơn và đồng thời biên độ mở cũng lớn hơn loại xe khách thông thường Hệ thống VTEC

21

HONDA lấy cơ sở này tính toán để tạo ra động cơ tối ưu nhất Ngoài ra, các nhà chế tạo còn cải thiện sự phân phối khí của động cơ này để chúng hoạt động được tốt hơn, cụ thể là momen ở tốc độ thấp của loại động cơ này lớn hơn so với động cơ thông thường, đồng thời ở tốc độ cao thì công suất phát ra cũng được tận dụng đến một phạm vi tối đa như là động cơ xe đua.

5.1.2.1 Ở tốc độ thấp.

- Khi động cơ hoạt động ở tốc độ thấp, áp lực dầu điều khiển không cung cấp đến các piston thủy lực nên cò mổ thứ nhất và cò mổ thứ hai được tách rời không liên kết với cò mổ giữa nhờ vào lò xo hoàn lực được đặt trong cò mổ thứ hai Lúc này hai vấu cam ở hai bên tác động đến các cò mổ thứ nhất và thứ hai để điều khiển sự đóng mở xupap Nên lưu ý rằng, mặc dù vấu cam trung tâm vẫn tác động vào cò mổ giữa nhưng nó không ảnh hưởng đến việc đóng mở xupap ở thời điểm này 5.1.2.2 Ở tốc độ cao.

- Khi động cơ vận hành ở tốc độ cao, dưới áp lực dầu điều khiển các piston sẽ di chuyển theo hướng mũi tên như hình vẽ Kết quả là cả ba cò mổ liên kết thành một khối duy nhất bởi các piston thủy lực Ở giai đoạn này, tất cả các cò mổ được điều khiển bởi vấu cam C (vấu cam có biên độ mở lớn nhất) để điều khiển cho việc đóng mở supap khi động cơ hoạt động ở tốc độ này.