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

Mã lớp học: 22LC45SP2L

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2023

1

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN

Điểm: ………

KÝ TÊN

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

4 Công nghệ vtec……….15

5 Phân loại………19

5.1 DOHC VTEC………19

5.1.1 Cấu tạo………19

5.1.2 Nguyên lí hoạt động………20

5.1.2.1 Ở tốc độ thấp………21

5.1.2.2 Ở tốc độ cao……….21

5.2 SOHC VTEC……….22

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 vềmột động cơ môtô thể thao công suất lớn Honda đã cố gắng nghiên cứu một loạiđộng cơ có thể vừa tạo ra công suất lớn, vừa có khả năng dẫn động trong toàn bộdải vòng tua Với mục tiêu này, nhóm kỹ sư của Honda đã cố gắng tập trung pháttriển một loại động cơ công suất 200 HP/1 lít và có độ nghỉ ổn định Trong quátrình nghiên cứu, họ đã phát hiện ra rằng, để chế tạo được một động cơ như vậy, họcần phải tìm ra một phương pháp nào đó để chống lại việc ngăn cản dòng khôngkhí đi vào từ các vòng tua thấp đến các vòng tua trung bình Và vấn đề đó đã đượcgiải 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 khôngkhí để đạt được độ nghỉ ổn định, giúp động cơ hoạt động êm ái dù ở vận tốc thấphay vận tốc trung bình Chiếc môtô đầu tiên được trang bị hệ thống REV này làchiếc CBR400F sản xuất năm 1983 Từ hệ thống REV được sử dụng cho động cơcủa môtô, Honda tiếp tục phát triển hệ thống VTEC dành cho ôtô Hệ thống VTECgồm một thiết bị điều khiển thời gian mở van và hai chế độ trục cam: một camđược thiết kế để động cơ hoạt động tốt ở vòng tua thấp còn một cam khác đảmnhiệm vai trò ở vòng tua cao VTEC trên động cơ có trục cam kép (DOHC) đượcgiới thiệu vào năm 1989 trên chiếc JDM-spec Integra và chiếc Civic CRX SiR sửdụng động cơ B16A 1.6 lít DOHC có công suất 160 HP tại vòng tua máy đáng kinhngạc 7.600 vòng/phút, momen xoắn đạt cực đại 150 N.m ở vòng tua 7.000vòng/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 ) vớicông 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 nhiênliệu Các biến thể khác nhau bao gồm VTEC-E, i-VTEC với Quản lý xi-lanh biếnthiên (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 nânghoặc thời lượng mở của các van, nhưng thường được sử dụng cùng với VTEC kể từkhi VTC được giới thiệu vào đầu những năm 2000 VTC sử dụng một van spool đểdẫn dầu áp suất cao đến các khoang bên trong bánh răng dẫn động của cam, chophép 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 thuộcvào 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 vàkhí thải.

7

Chi tiết về VTEC Honda

- Trong các động cơ đốt trong thông thường, các supap nạp và supap xả đượcđiều khiển thông qua các con đội trên trục cam Hình dáng của các con đội sẽ xácđịnh thời điểm đóng mở, độ nâng và khoảng thờ i gian mở của từng supap Đối vớinhững xe đời cũ, cả hệ thống phân phối khí được dẫn động và điều khiển thống quacác cơ cấu cơ khí (khâu, khớp) thì việc đóng mở supap là cố định theo thiết kế củanhà 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 độngcơ

- Do tính chất của hòa khí và sau khi cháy mà 3 thông số thời điểm, độ nâng vàthời gian mở của các supap ở vòng tua thấp và vòng tua cao rất khác nhau Thôngthường, 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 Nếuđặt điều kiện hoạt động tối ưu của các supap ở vòng tua thấp thì quá trình đốt nhiênliệu 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 tuacao 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 giảipháp 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 chỉnhmột 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 điềuchỉnh supap thay vì sử dụng biên dạng cam Tuy nhiên, kỹ thuật trên không đượcsản xuất do quá phức tạp và rất đắt Cách tiếp cận ngược lại là điều chỉnh supap saocho 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 đểcho phép điều chỉnh các thông số: thời điểm đóng mở supap, độ mở và khoảng thờigian 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 biếtđến khái niệm “hệ thống nạp thông minh” và càng ngày công nghệ này càngtrở 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, khoảngnâng cũng như khoảng thời gian đóng mở supap để tối ưu hóa công suất làm việccủa 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 đểgiải quyết vấn đề này và sử dụng hai vấu cam có biên dạng khác nhau: VTEC củaHonda 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 tạicác 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 vanbiến thiên liên tục trên van nạp ở các động cơ của Honda, ở i-VTEC, trục camđiều khiển van nạp có thể thay đổi một góc trong khoảng từ 25 đến 50 độ (tùythuộc vào cấu trúc động cơ) khi đang vận hành Các trạng thái của trục cam đượcmáy tính điều khiển dựa trên các dữ liệu về tải trọng xe và vòng tua máy Tácdụng của i-VTEC là nâng mômen xoắn của động cơ, đặc biệt khi ở tốc độ vòng tuatrung 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 phânphối 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 sốchính có ảnh hưởng quyết định đến chất lượng của quá trình nạp đầy và thải sạch làpha phân phối khí và tiết diện lưu thông của hỗn hợp khí Pha phân phối khí đượchiểu 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 vànhkhăn được tạo bơi họng đế supap và phần đế của xu-páp khi supap đó mở Trên cácloại động cơ thông thường, tiết diện lưu thông của hỗn hợp khí luôn tuân theo mộtquy 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 hoàntoàn hợp lý, lượ ng nhiên liệu cung cấp cũng chưa phù hợp với chế độ làm việc củađộng cơ gây tổn hao nhiên liệu và mất mát công suất Chính vì vậy, hệ thống điềukhiển 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 khiểnvan có kích thước khác nhau Cam ngắn hơn cho phép một van mở với độ mở ít vàđiều này làm giảm mức tiêu hao nhiên liệu Giống hệ thống VTEC ban đầu, khiđộng cơ đạt số vòng/phút lớn hơn, chốt khóa khóa cam thiết kế cho vòng tua cao vàthời 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 3pha 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 trướctới nay của hãng Honda và được ứng dụng trên nhiều mẫu xe Hệ thống i -VTECđược giớ i thiệu năm 2001 và sử dụng thiết bị điều chỉnh thời gian van nạp biếnthiên liên tục và hệ thống quản lý do máy tính điều khiển để tối ưu hóa mô menxoắn và hiệu suất sử dụng nhiên liệu

15

- AVTEC: Advanced VTEC được hãng Honda giới thiệu năm 2006 Hệ thống nàykết hợp những lợi thế của hệ thống i-VTEC với hệ thống điều khiển pha biến thiênliên tục Hãng Honda cho biết hệ thống AVTEC sẽ cho phép tiết kiệm 13% nhiênliệu 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 tômới được sản xuất.

4 Công nghệ VTEC

- VTEC là thuật ngữ viết tắt từ cụm "Variable valve Timing and lift ElectronicControl" Hệ thống này được phát triển nhằm cải thiện hiệu quả của các động cơđốt trong tại các dải vòng tua động cơ khác nhau VTEC của Honda là một trongnhiều công nghệ điều van biến thiên trên thế giới như VVT-i của Toyota hayVarioCam plus của Porsche VTEC được kỹ sư thiết kế động cơ của Honda, ÔngKenichis 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 tạo17

- VTEC sẽ điều khiển các thông số của van nạp, xả hoặc cả hai sao cho hòa khí đivào buồng đốt hay khí xả đi ra một cách thích hợp nhất Đối với hệ thống nạp, biếnđổi độ dài của các đường ống nạp được áp dụng có thể điều khiển được chiều dàitối 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 xupapnạp và 2 xupap thải Điều khác biệt là trên mỗi trục cam có 3 vấu cam 2 vấu camđiều khiển cho động cơ làm việc ở tốc độ thấp còn vấu cam còn lại điều khiển chođộng 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 pistonlắp đặt bên trong cò mổ sẽ đẩy piston đồng bộ di chuyển cùng hướng để ép pistonchặn và lò xo hoàn lực lại tạo sự liên kết hai cò mổ lại với nhau Khi mất áp lựcdầu, 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 bằngcách 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 củatốc độ động cơ, tải trọng động cơ, tốc độ xe và nhiệt độ nước, để từ đó gửi cácmệnh lệnh thích hợp

19

- Khi động cơ hoạt động ở tốc độ thấp, trục liên kết được nhả ra giúp tách kết nốigiữa chốt cò giữa và các chốt còn lại Hệ thống van xả nạp được vận hành bởi trụccam 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, giúpkết nối chốt cò giữa với các chốt còn lại Hệ thống van được điều khiển bởi trụccam cao ở giữa cho độ mở của hệ thống van cao

lò xo phụ với chức năng giữ cho cò mổ giữa luôn luôn tiếp xúc với vấu cam trungtâm 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

21

HONDA lấy cơ sở này tính toán để tạo ra động cơ tối ưu nhất Ngoài ra, các nhàchế tạo còn cải thiện sự phân phối khí của động cơ này để chúng hoạt động đượctốt hơn, cụ thể là momen ở tốc độ thấp của loại động cơ này lớn hơn so với động cơthông thường, đồng thời ở tốc độ cao thì công suất phát ra cũng được tận dụng đếnmột 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 đếncác piston thủy lực nên cò mổ thứ nhất và cò mổ thứ hai được tách rời không liênkết với cò mổ giữa nhờ vào lò xo hoàn lực được đặt trong cò mổ thứ hai Lúc nàyhai vấu cam ở hai bên tác động đến các cò mổ thứ nhất và thứ hai để điều khiển sựđóng 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 dichuyển theo hướng mũi tên như hình vẽ Kết quả là cả ba cò mổ liên kết thành mộtkhối duy nhất bởi các piston thủy lực Ở giai đoạn này, tất cả các cò mổ được điềukhiển 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

Chú thích:

1 - Dòng dầu đến 2 - Áp lực dầu 3 - Piston thủy lực A 4 - Piston thủy lực B

5 - Chốt chặn 6 - Biên dạng cam ở tốc độ cao

5.2 SOHC VTEC:

- SOHC VTEC là công nghê sử dụng trục cam đơn trên động cơ Để tăng sự phổbiến và giá trị của VTEC, Honda tích hợp hệ thống này trên động cơ trục cam đơnSOHC Trên động cơ trục cam đơn, người ta chỉ sử dụng một trục cam để điềuchỉnh cả van nạp lẫn van xả Trên thực tế, động cơ sử dụng SOHC chỉ hiệu quả khi

hệ thống VTEC áp dụng trên van nạp

Nguyên lý hoạt động của SOHC cũng tương tự như DOHC chỉ khác ở chỗ SOHC

sử dụng 1 cam còn DOHC sử dụng 2 cam

23

6 Ưu và nhược điểm của hệ thống:

- Tính ưu việt ở loại động cơ này là công suất động cơ cao đồng thời với việc tiếtkiệm nhiên liệu Cơ cấu phân phối khí của động cơ này gần giống như kiểuphânphối khí của động cơ bốn xupap thông thường, nhưng nó được cải tiến sư phânphối tốt hơn Ơ tốc độ thấp, lượng hoà khí nạp vào trong xylanh được tiết kiệm dochỉ mở moat trong hai supap, nhưng ở tốc độ trung bình và cao, công suất phát ralớn do mở đồng thời cả hai supap hút Kiểu động cơ VTEC –E được kết hợp từ hailoai động cơ hai supap và bốn supap để chế tạo thành loại động cơ mang ưu điểmcủa hai loại này

6.1 Ưu điểm SOHC:

- Rẻ và dễ bảo trì do thiết kế đơn giản

- khả năng lắp đặt tăng áp với bố trí van hình chữ V

- khả năng tự sửa chữa bảo dưỡng động cơ

6.2 Nhược điểm SOHC

- Ở nhiều khía cạnh hiệu quả thấp hơn so với DOHC

- Tiêu thụ nhiên liệu cao so với động cơ 16 valve do không đủ công suất

- giảm tuổi thọ động cơ đáng kể trong quá trình điều chỉnh

6.3 Ưu điểm DOHC:

- Tiết kiệm nhiên liệu hơn SOHC

- Công suất cao hơn

- Nhiều cơ hội gia tăng truyền lực

- Tiếng ồn vận hành thấp hơn

6.4 Nhược điểm DOHC:

- Nhiều bộ phận hao mòn hơn, bảo trì sửa chữa phức tạp và đắt tiền hơn

- Nguy cơ lệch pha do lỏng xích hoặc dây đai thời gian

- Độ nhạy với chất lượng và mức dầu

- Giá thành đắt hơn