đồ án tốt nghiệp phân tích đặc điểm cấu tạo vào nguyên lý hoạt động của hệ thống phân phối khí vvt-i

Khi dùng cơ cấu phân phối khí xupap đặt, chiều cao của động cơ giảm xuống, kết cấu của nắp xilanh đơn giản, dẫn động xupap cũng dễ dàng hơn, nhưng do buồng cháy không gọn, diện tích truy

Trang 1

MỤC LỤC

PHẦN I: CHỨC NĂNG VÀ YÊU CẦU ĐỐI VỚI HỆ THỐNG

PHÂN PHỐI KHÍ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

1.1 Nhiệm vụ- yêu cầu – phân loại hệ thống phân phối khí:

1.2 Giới thiệu một số hệ thống phân phối khí ở động cơ đốt trong:

1.2.1.Cơ cấu phân phối khí có xupap

1.2.4 Cơ cấu phân phối khí có trục cam đặt trên nắp xylanh

nhưng vẫn có đòn

+ Ảnh hưởng của sức cản

nạp……… + Ảnh hưởng của sức kháng áp

HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÍ VVT-I:

1 Giới thiệu

chung………

………

2 Phân tích đặc điểm, cấu tạo của hệ thống thay đổi

thời điểm phối khí VVT-I

……… a.Nguyên lý hoạt động:

………

b Cấu tạo của cơ cấu VVT-I:

………

b.Thay đổi thời điểm phối khí bằng cách thay đổi độ nâng van

c Thay đổi thời gian phân phối khí và mức độ nâng

xupáp bằng

chêm.VVTL-i:………

4./.Những phiên bản khác của hệ thống phân phối khí VVT:

4.1./.Hệ thống VTEC (Variable valve Timing and lift Electronic

Control ) của động cơ HONDA:………

4.2./ Hệ thống VANOS (VARIABLE NOCKENWELLEN

STEUERUNG ) trên động cơ

BMW………

4.3./ Hệ thống Valvetronic trên động cơ

BMW………

4.4./.CƠ CẤU MIVEC ( MITSUBISHI INOVATIVE AND

LIFT ELECTRONIC CONTROL) của hãng MITSUBISHI…… 4.5./.Cơ cấu VARIO CAM PLUS của hãng

HMVT………

PHẦN I:

CHỨC NĂNG VÀ YÊU CẦU ĐỐI VỚI HỆ THỐNG PHÂN PHỐI

KHÍ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

nén, cháy và giãn nở, và phân phối kịp thời, đều đặn hòa khí hoặc không khí cho các xilanh theo đúng thứ tự làm việc của động cơ Ở máy Diesel, khí nạp là không khí Còn ở máy xăng là hỗn hợp không khí và hơi xăng Khí xả là sản phẩm cháy, chủ yếu là khí Cacbonic và hơi nước

1.1.2.Yêu cầu:

a Yêu cầu chung đối với cơ cấu phối khí:

- Đảm bảo việc nạp đầy, nghĩa là hệ số nạp phải cao Việc xả sạch, nghĩa là hệ số khí sót phải thấp Điều đó có nghĩa là chất lượng của quá trình nạp xả phải đảm bảo được yêu cầu đặt ra Yêu cầu này đến đâu tùy thuộc vào từng loại máy 4 kỳ hay 2 kỳ, phương pháp trao đổi khí, cấu tạo các bộ phận của cơ cấu

- Phải đảm bảo đóng kín các cửa nạp, cửa xả trong quá trình nén, cháy và giãn nở

- Phải đảm bảo việc phân phối kịp thời, đều đặn và đủ lượng hoà khí hoặc không khí cho các xylanh theo đúng thứ tự làm việc của động cơ Độ mở lớn để dòng khí dễ lưu thông

- Năng lượng cung cấp cho hệ thống nạp xả khi làm việc tốn ít nhất -Xupap mở để dẫn không khí hoặc hỗn hợp không khí nhiên liệu vào xi lanh ở kỳ hút Xupap xả mở thải khí cháy ra ngoài trời vào kỳ xả

- Kỳ nén và nổ các xupap phải đóng kín để không bị lọt khí ra khỏi xi lanh

b Yêu cầu đối với hệ thống nạp:

- Các đường dẫn khí vào xi lanh phải được thiết kế đặc biệt để điều khiển lưu lượng, tốc độ và chiều dẫn không khí Không được phép có sự giao cắt, vì điều này có thể làm giảm hiệu suất thể tích

- Cung cấp không khí sạch và nguội cho từng xi lanh theo yêu cầu cháy hoàn hảo

- Cung cấp không khí để quét

- Giảm tiếng ồn dòng khí lưu động

- Sấy nóng hỗn hợp khí-nhiên liệu đi vào các xi lanh

c Yêu cầu đối với hệ thống xả:

- Dẫn khí xả của động cơ ra ngoài không khí và giảm hẳn tiếng ồn quá mức bằng cách khử các sóng áp lực trong khí xả Trong vài trường hợp, hệ thống xả còn phải có khả năng khử tia lửa

1.1.3.Phân loại cơ cấu phân phối khí của động cơ đốt trong:

Người ta phân cơ cấu phân phối khí thành các loại sau đây:

a Cơ cấu phân phối khí dùng cam –xupap được dùng phổ biến trong các loại động cơ đốt trong do kết cấu đơn giản, điều chỉnh dễ dàng

b Cơ cấu phân phối khí dùng van trượt có ưu điểm là tiết diện thông qua lớn nhưng khó chế tạo nên ít được dùng trong các động cơ thông thường mà chỉ dùng trong động cơ đặc chủng như động cơ xe đua

c Cơ cấu phân phối khí dùng piston đóng mở cửa nạp và thải của động cơ hai kỳ có kết cấu đơn giản, không phải điều chỉnh sửa chữa, nhưng chất lượng quá trình trao đổi khí cao

d Cơ cấu phân phối khí dùng bộ phận điều khiển điện tử(ECM) tín hiệu đến cuận solenoid, loại này thay vì dùng một trục cam trung gian, các cuộn solenid điện mở các xupap

1.1.4 Nhận xét:

- Động cơ Diezen chỉ dùng phương án bố trí xupap treo vì dung tich buồng cháy của động cơ, tỉ số nén rất cao Động cơ xăng có thể dùng xupap treo hay đặt, nhưng ngày nay cũng thường dùng cơ cấu phân phối khí xupap treo vì cơ cấu phân phối khí này có nhiều ưu điểm hơn so với cơ cấu phân phối khí dùng xupap đặt

- Khi dùng cơ cấu phân phối khí xupap treo, buồng cháy rất gọn, diện tích mặt truyền nhiệt nhỏ, vì vậy giảm được tổn thất nhiệt Đối với động cơ xăng khi dùng cơ cấu phân phối khí xupap treo do buồng cháy nhỏ gọn, khó kích nổ nên có thể tăng tỉ số nén lên thêm từ 0,5 – 2 so với khi dùng cơ cấu phân phối khí xupap đặt Nói một cách khác khi chuyển từ cơ cấu phân phối khí xupap đặt sang cơ cấu phân phối khí xupap treo khả năng chống kích nổ tăng lên rõ rệt Cơ cấu phân phối khí xupap treo còn làm cho dạng đường thải thanh thoát hơn khiến sức cản khí động giảm nhỏ, đồng thời do có thể bố trí xupap hợp lý hơn nên có thể tăng được tiết diện lưu thông của dòng khí Những điều đó khiến cho hệ số nạp tăng lên 5% - 7%

- Cơ cấu phối khí xupap treo có nhiều chi tiết hơn và được bố trí cả ở thân máy và nắp xylanh làm tăng chiều cao của động cơ Lực quán tính của các chi tiết tác dụng lên bề mặt cam và con đội lớn hơn Nắp máy của động

cơ phức tạp hơn nên khó khăn hơn khi chế tạo Tuy nhiên, do xupap được bố trí trong phần không gian của xylanh dạng treo nên buồng cháy rất gọn Đây là điều kiện tiên quyết để có tỷ số nén cao và giảm khả năng kích nổ đối với động cơ xăng Mặt khác, các dòng khí lưu động ít bị ngoặt nên tổn thất nhỏ tạo điều kiện thải sạch và nạp đầy hơn Vì những ưu điểm trên nên cơ cấu phối khí xupap treo rất phổ biến cho cả động cơ xăng và động cơ diesel

- Tuy vậy cơ cấu phân phối khí xupap treo cũng tồn tại một số khuyết điểm, khuyết điểm cơ bản của cơ cấu này là dẫn động xupap phức tạp và làm tăng chiều cao động cơ Ngoài ra, bố trí xupap treo làm cho kết cấu của nắp xilanh trở nên phức tạp, khó đúc Khi dùng cơ cấu phân phối khí xupap đặt, chiều cao của động cơ giảm xuống, kết cấu của nắp xilanh đơn giản, dẫn động xupap cũng dễ dàng hơn, nhưng do buồng cháy không gọn, diện tích truyền nhiệt lớn nên tính kinh tế của động cơ kém: tiêu hao nhiên liệu nhiều,

ở tốc độ cao hệ số nạp giảm làm giảm mức độ cường hoá của động cơ Đồng thời khó tăng được tỉ số nén, nhất là khi tỉ số nén của động cơ lớn hơn 7,5 rất khó bố trí buồng cháy

- Trong cơ cấu phân phối khí xupap đặt, toàn bộ cơ cấu phối khí được bố trí ở thân máy do đó chiều cao động cơ không lớn, thuận lợi khi bố trí trên

Trang 7

các phương tiện vận tải Số chi tiết của cơ cấu ít nên lực quán tính của cơ cấu nhỏ, bề mặt cam và con đội ít bị mòn hơn Tuy nhiên khó bố trí cho buồng cháy gọn, mặc dù ở một số động cơ người ta bố trí xupap nghiêng so với đường tâm xylanh nhưng vẫn không tổ chức được buồng cháy gọn để có tỷ số nén cao thích hợp cho động cơ Diesel Ngoài ra, cũng chính vì buồng cháy không gọn nên dễ xảy ra kích nổ Do dòng khí nạp và thải phải ngoặt khi lưu động nên hệ số nạp không cao Vì vậy, cơ cấu phân phối khí xupap đặt thường chỉ dùng trong một số động cơ xăng có tỉ số nén thấp, số vòng quay không cao lắm

1.2 Giới thiệu môt số hệ thống phân phối khí ở động cơ đốt trong:

1.2.1 Cơ cấu phân phối khí có xu páp treo:

Hình 1-1 Cơ cấu phân phối khí có xupáp treo

Cơ cấu phân phối khí có xu páp treo (Hình 1-1), các xupáp được bố trí

ở phía trên của nắp máy Hệ thống nạp xả này được dùng hầu hết trong động cơ diesel và động cơ cơ xăng có tỷ số nén cao Cơ cấu xupáp treo gồm: trục cam, con đội, đũa đẩy, đòn gánh, lò xo, ống đẫn hướng và đế xupáp Đối với cơ cấu xupáp treo có trục cam đặt ở phía trên nắp máy Thì có thể không có đũa đẩy mà thay vào đó là xích hoặc bánh răng Và có thể có hoặc không có đòn gánh

Khi trục cam quay, cam sẽ truyền chuyển động tịnh tiến cho con đội làm cho đũa đẩy chuyển động tịnh tiến do đó làm cho đòn gánh quay quanh

trục đòn gánh Đầu đòn gánh sẽ đè lên đuôi xupáp làm cho xupáp chuyển động tịnh tiến đi xuống mở cửa nạp và xả để thực hiện quá trình trao đổi khí Vào lúc cam không đôïi con đội thì lò xo xupáp sẽ giãn ra, làm cho xupáp chuyển động đi lên đóng cửa nạp và xả lại để thực hiện quá trình nén, cháy, giãn nở và sinh công Ở tư thế này, lúc máy còn nguội, giữa đầu đòn gánh và đuôi xupáp sẽ có khe hở, gọi là “khe hở nhiệt” Nhờ nó, khi máy làm việc, do nóng lên, xupáp có giãn nở, buồng đốt cũng không bị hở nhiệt

1.2.2.Cơ cấu phân phối khí có xu páp đứng (xupáp đặt):

Hình 1-2 Cơ cấu phân phối khí có xu páp đứng

1 –đế xupap; 2 – xupap; 3- ống dẫn huớng xupap; 4 – lò xo xupap; 5 – móng hãm hình côn; 6 – đĩa chặn lò xo; 7 – bulông điều chỉnh; 8 – đai ốc hãm;

9 – con đội; 10 – trục cam

Cơ cấu phân phối khí có xupáp đứng trình bầy trên (Hình 1-2), loại này thường dùng ở máy xăng Ở đây không có đũa đẩy, đòn gánh, con đội 9 trực

Trang 9

tiếp truyền động cho xupap 2 Thay đổi chiều cao tuyệt đối của con đội bằng

bu lông 7 và ốc hãm 8 sẽ điều chỉnh được khe hở nhiệt Loại hệ thống nạp xả có xupáp đứng này làm tăng diện tích buồng đốt nhưng ít chi tiết hơn so với loại xupáp treo do đó độ tin cậy khi làm việc của loại này cao hơn hệ thống nạp xả có xupáp treo Và an toàn hơn loại xupáp treo, vì giả sử móng hãm xupáp có tuột ra, xupáp cung không rơi vào xylanh, không gây hư hỏng cho piston, xy lanh đặc biệt khi khi động cơ đang làm việc

1.2.3.Cơ cấu phân phối khí có trục cam truyền động trực tiếp cho

xupáp:

Hình 1-3 Cơ cấu phân phối khí có xupáp treo, trục cam đặt trên nắp xupáp 1–xupáp xả; 2–lò xo xupáp; 3–trục cam; 4–đĩa tựa; 5–bulông điều chỉnh; 6–thân xupáp rỗng; 7–vành tựa; 8–mặt trụ; 9–đĩa tựa lò xo;

Cơ cấu phân phối khí có trục cam truyền động trực tiếp cho xupáp thể hiện trên hình vẽ (Hình 1-3) khi trục cam đặt trên nắp xylanh, và cam trực tiếp điều khiển việc đóng, mở xupáp, không qua con đội, đũa đẩy, đòn gánh

…… Tuy nhiên hệ trục và hai cặp bánh răng côn có phức tạp, chế tạo khó, nhưng nó có ưu điểm là làm việc êm hơn, ít gây tiếng ồn Bởi vì cơ cấu này không có chi tiết làm việc theo chuyển động tịnh tiến có điểm dừng như trường hợp có đòn gánh và đũa đẩy

Loại này có xupáp rỗng, ghép Bulông 5 giúp ta điều chỉnh chiều dài xupáp, sẽ cho phép điều chỉnh khe hở nhiệt (giữ mặt tựa của cam và đuôi xupáp)

Tuy nhiên, đối với xupáp xả thường làm việc ở nhiệt độ tới (300 –

400)0C vì vậy các đường ren dễ bị kẹt do han rỉ, điều chỉnh bu lông 5 rất khó.Lò xo xupáp ở đây có hai chiếc có độ cứng khác nhau, chiều quấn nguợc nhau và có chiều dài bằng nhau Nhờ vậy tránh được sự cộng hưởng nên bền lâu hơn

Với máy nhỏ đôi khi người ta đúc liền một khối, như vậy không điều chỉnh được khe hở nhiệt Trong trường hợp này, nhà chế tạo để khe hở nhiệt lớn một chút, khi mòn càng lớn hơn, nên có thể có tiếng gõ khi máy làm việc, nhưng cấu tạo đơn giản, làm việc an toàn

1.2.4 Cơ cấu phân phối khí có trục cam đặt trên nắp xylanh nhưng vẫn có đòn gánh:

Hình 1-4 Sơ đồ cơ cấu phân phối khí có trục cam đặt trên nắp xylanh nhưng

vẫn có đòn gánh

Cơ cấu phân phối khí có trục cam đặt trên nắp xylanh nhưng vẫn có đòn gánh được thể hiện trên hình vẽ (Hình 1-4) Trục cam đặt trên nắp xylanh, nhưng cam không trực tiếp tỳ vào xupáp mà thông qua đòn gánh số Chuyển động từ trục khuỷu cho trục cam bằng xích Điều chỉnh khe hở nhiệt được thực hiện nhờ vít điều chỉnh và ốc hãm ở đầu đòn gánh

1.2.5 Cơ cấu phân phối khí điều khiển điện tử:

a Sơ đồ nguyên lý tổng quát:

Hệ thống điều khiển đông cơ theo chương trình bao gồm các cảm biến kiểm soát liên tục tình trạng hoạt đông của động cỏ, một bộ ECU tiếp nhận

Van mở Khí nạp

Trang 11

tín hiệu từ cảm biến, xử lý tín hiệu và đưa ra tín hiệu điều khiển đến cơ cấu chấp hành Cơ cấu chấp hành luôn đảm bảo thừa lệnh ECU và đáp ứng các tín hiệu phản hồi từ các cả biến Hoạt động của hệ thống điều khiển động cơ đem lại sự chính xác và thích ứng cần thiết để giảm tối đa chất độc hại trong khí thải cũng như lượng tiêu hao nhiên liệu ECU cũng đảm bảo công suất tối ưu ở các chế độ hoạt động của động cơ, giúp chẩn đoán khi có sự cố xảy

ra

Điều khiển đông cơ bao gồm điều khiển phun nhiên liệu, điều khiển đánh lửa, điều khiển góc phối cam, điều khiển ra tự động

Hình 1.5: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển lập trình

b Sơ đồ cấu tạo:

Cảm biến oxy

Tốc độ động cơ

Vị trí bướm ga

Nhiệt độ nước làm mát

Các cảm biến khác

Điện áp accu

Hệ thống đánh lửa

Điều khiển cầm chừng

Hệ thống chuẩn đoán

Điều khiển tỷ số nén ε

Cảm biến HTPP khí

Hình 1.6:Sơ đồ cấu tạo hệ thống điều khiển kiểu Valvetronic

1:Mô tơ bước; 2:Bộ truyền trục vít bánh vít; 3:Cần dẫn hướng; 4:Trục nắp

cần dẫn hướng; 5: Đòn gánh; 6:Lò xo xupap; 7: Xupap

Hêï thống cung cấp nhiên liệu kiểm soát số lượng không khí đi qua cổ

họng bướm ga và quyết định số lượng nhiên liệu tương ứng mà động cơ yêu

cầu Bướm ga mở càng rộng thì lượng không khí đi vào buồng đốt càng

nhiều Tại vùng họng bướm ga, bướm ga đóng một phần thậm chí gần như đóng,

nhưng những piston vẫn còn hoạt động, không khí được lấy vào từ một phần

của ống thông của đường ống phân phối đầu vào, ống thông nằm giữa vị trí

bướm ga và buồng đốt có độ chân không thấp ngăn cản tác động của sự hút

vào và bơm vào của những piston, làm lãng phí năng lượng.Các kỹ sư ô tô

nói đến hiện tượng này như sự bỏ phí năng lượng khi có sự bơm Động cơ

hoạt động càng chậm thì các bướm ga đóng càng nhiều, và sự lãng phí năng

lượng càng lớn Valvetronic giảm tối thiểu mất mát khi bơm bằng sự giảm

bớt sự tăng lên của trục van và số lượng không khí đi vào buồng cháy

So với những động cơ cam đôi kiểu cũ với sự xuất hiện của bánh con

lăn có bộ phận định hướng, valvetronic sử dụng thêm một trục lệch tâm, một

mô tơ điện và một số cần đẩy (đòn gánh) trung gian, mà lần lượt dẫn động

sự đóng và mở của các xupáp

Nếu đòn gánh đẩy xuống sâu, những van nạp sẽ bị đẩy xuống ở vị trí

mở xupáp lớn nhất và làm cho tiết diện lưu thông qua các van là lớn nhất

Như vậy, valvetronic có khả năng nạp nhiều, thời gian nạp dài (hành trình

van lớn) và quá trình nạp được đầy hoàn toàn, tiết diện lưu thông nhỏ (hành

trình van ngắn) tuỳ thuộc vào vị trí định trước trên động cơ

Trang 13

1.3 Những ảnh hưởng của việc điều chỉnh hệ thống phân phối khí động cơ đốt trong đến các thông số công tác:

1.3.1 Ảnh hưởng hệ thống pha phân phối khí tới động cơ:

Trong quá trình sử dụng động cơ các pha phân phối khí bị thay đổi do nhiều nguyên nhân:

- Sự thay đổi khe hở trong cơ cấu truyền động cho xupáp do các chi tiết

bị hao mòn nhiều hoặc do tính chất điều chỉng của cặp lắp ghép bị thay đổi

- Sự thay đổi của profin của cam do bị hao mòn

- Các bánh răng truyền đông ăn khớp với nhau không đúng vị trí (khi lắp ráp động cơ, khi tháo rời hoặc thay thế chúng)

- Cam rời bị xoay so với trục hoặc lắp không chính xác trên trục

- Trục cam bị xoắn(nhất là khi động cơ ở tốc độ cao)

- Các họng xupáp và cửa quét, thải bị bám muội

Trong các yếu tố trên sự hao mòn profin cam và thay đổi khe hở nhiệt ảnh hưởng đến pha phân phối khí nhiều hơn cả

Khi pha phân phối khí bị thay đổi trị số thời gian tiết diện của xupáp giảm đi, do đó tốc độ lưu thông của dòng khí tăng lên và tăng tổn thất khí động, hậu quả là nạp không đầy và thải không sạch, dẫn đến làm giảm công suất và tính kinh tế của động cơ

Qua các công trình nghiên cứu gằng thực nghiệm có thể kết luận rằng đối vói các động cơ Diesel 4 kỳ tốc độ chậm và trung bình thì sự hao mòn của cam trong quá trình sử dụng ít ảnh hưởng tới các thông số như ηn, Ne, ge hơn so với các động cơ tốc độ nhanh

Thực tế sử dụng động cơ cho thấy rằng trong phạm vi giới hạn hao mòn cho phép của cam các phân phối khí chỉ bị thay đổi không đáng kể và không gây ảnh hưởng rõ rệt tới chất lượng nạp đầy và làm sạch xylanh

Trong quá trình sử dụng, ta cần định kỳ kiểm tra các pha phân phối khí Đặc biệt, nếu như trong sửa chữa có thay thế một vài chi tiết cơ cấu phân phối khí thì sau khi sửa chữa nhất thiết phải điều chỉnh lại pha phân phối khí theo giá trị cho trong bảng hưỡng dẫn sử dụng động cơ

Một điều quan trọng là điều chỉnh đúng khe hở nhiệt xupap và nên chọn giá trị nhỏ nhất trong giới hạn mà nhà máy chế tạo đã quy định

* Góc nạp sớm φ ns và góc nạp muộn φ nm

Trong thực tế, quá trình nạp bắt đầu tại điểm d1 (hình1-1a) tương ứng với vị trí góc φ1(hình 1-1b) trước điểm chết trên, xupáp nạp mở.Góc φ1 được gọi là góc mở sớm xupáp nạp Sau khi đến điểm chết trên, piston bắt đầu đi xuống, áp xuất trong xylanh giảm dần Từ thời điểm áp suất trong xylanh bằng áp suất trên đường ống nạp pk trở đi cho đến khi piston tới điểm chết

dưới tại điểm a, khí nạp mới được hút vào trong xylanh Mở sớm xupáp nạp nhằm mục đích, khi khí nạp mới thực sự đi vào xylanh thì diện tích thông qua của xupáp nạp đã khá lớn nên sức cản khí động nhỏ, do đó nạp được nhiều khí nạp mới

Tận dụng quán tính của dòng khí để nạp thêm, xupáp nạp chưa đóng tại điểm chết dưới mà đóng sau đó một góc φ2 (hình1-1b)tại điểm d2 (hình 1-1a) Góc φ2 gọi là góc đóng muộn của xupáp nạp Từ a đến d2 gọi là thời kỳ nạp thêm

Về nguyên tắc, người ta sử dụng các biện pháp có thể nạp được nhiều khí nạp mới, do đó đốt được nhiều nhiên liệu, nhằm tận dụng khả năng động

cơ phát ra công suất cao.Vì yếu tố này nên các nhà thiết kế đã đưa ra một phương pháp để có thể nạp được nhiều nhiên liệu mới và thải sạch, đó là sử dụng xupáp điều khiển bằng điện tử

Hình 1-7 Đồ thị nguyên lý làm việc của động cơ 4 kỳ không tăng áp

a Đồ thị công ; b.Đồ thị pha

1.3.2 Ảnh hưởng của việc tăng sức cản của hệ thống trao đổi khí:

Sức cản khí nạp không khí và sức kháng áp khí xả có ảnh hưởng rõ rệt tới sự hoạt động của động cơ

Sức cản nạp tăng lên trong thực tế có thể do lắp đặt thêm bầu lọc không khí, hạn chế tiết diện lưu thông và tăng chiều dài đường ống nạp,

Việc tăng sức cản nạp và kháng áp xả có thể ảnh hưởng riêng rẽ hoặc đồng thời đến hoạt động của động cơ

a Ảnh hưởng của sức cản nạp :

Khi sức cản nạp tăng thì lượng không khí nạp Gk giảm, tương ứng hệ số dư lượng không khí α cũng giảm theo (khi giữ lượng nhiên liệu cung cấp không đổi) và làm cho chất lượng quá trình cháy bị sút kém do thiếu oxy Điều này sẽ làm giảm hiệu suất chỉ thị ηi , công suất chỉ thị Ni và tăng lượng chi phí nhiên liệu chỉ thị gI nhiệt độ khí xả Tx Nếu bỏ qua sự ảnh hưởng không lớn của hiệu suất cơ khí ηm thì hậu quả sẽ làm giảm Nevà làm tăng ge Thực nghiệm chứng tỏ rằng ở động cơ Diesel khi sức cản nạp biến thiên trong một khoảng khá rộng (100÷700 mmH2O) thì các thông số như

Pz,ge,Tx thay đổi không nhiều lắm (<1%)còn Ne giảm khoảng 3%

Thông thường trong các bảng hướng dẫn sử dụng nhà chế tạo thường cho trước đồ thị hiệu đính sự thay đổi công suất của động cơ theo sức cản nạp, hoặc giá trị sức cản nạp cho phép

b Ảnh hưởng của sức kháng áp xả:

Việc tăng sức kháng áp xả dẫn đến tăng hệ số sót khí γr trong xylanh động cơ và vì vậy làm tăng nhiệt độ khí nạp Ta, giảm lượng khí nạp Gk và hệ số dư không khí α Aûnh hưởng đó làm cho quá trình cháy kéo dài phần lớn sang đường giãn nở làm cho lượng nhiệt do khí xả mang đi tăng lên, nhiệt độ khí xả thành vách cylanh tăng cao, gia tăng ứng suất nhiệt Tăng sức kháng áp xả sẽ làm tăng công dùng để thải khí

Tổng hợp những ảnh hưởng đó làm cho động cơ giảm công suất (gồm cả Ni và Ne),tính kinh tế của động cơ giảm (tăng ge)

Bằng thực nghiệm cho thấy rằng khi tăng kháng áp xả Δpr đến 200 mmHg (đối với động cơ 4 kỳ) là 150 mmHg (đối với động cơ 2 kỳ) thì nó chỉ ảnh hưởng rất ít đến sự thay đổi các thông số quá trình làm việc (dưới 3 ÷ 4%) còn khi kháng áp tăng lên nữa thì sẽ gây những thay đổi rõ rệt Ảnh hưởng của sức kháng áp xả đối với động cơ 2 kỳ nhiều hơn đối với động cơ 4 kỳ

Thông thường nhà chế tạo quy định giá trị kháng áp xả Δpr để bảo đảm sự hoạt động bình thường của động cơ ở công suất định mức Đối với mỗi

loại kết cấu cụ thể của động cơ trị số Δpr sẽ khác nhau Nhưng đa số các trường hợp không vượt quá khoảng giá trị 100 ÷ 150 mmHg Đối với động cơ tăng áp bằng tua bin khí Δpr được xác định ở phía sau Tuabin

Trong thực tế sử dụng người ta thường dùng nhiệt độ khí xả Tx để làm thông số kiểm tra giá trị giới hạn của Δpr

c Ảnh hưởng đồng thời của sức cản nạp và sức kháng áp xả:

Khi sức cản nạp và sức kháng áp xả cùng tác dụng đồng thời thì chúng sẽ làm quá trình làm việc của động cơ xấu đi nhiều hơn, là do Gk giảm đi nhiều hơn so với khi tăng nhân tố tác dụng riêng rẽ

Trên hình (1.8) biểu diễn giản đồ công chỉ thị của động cơ 4 kỳ, khi sức cản nạp và kháng áp xả tăng lên Quá trình đó thấy rằng công hành trình

“bơm” sẽ tăng lên và do vậy hiệu suất cơ khí ηm giảm đi

Hình (1.8) _ ứng với diện tích bình thường

… ứng với diện tích ảnh hưởng đồng thời sức cản nạp và kháng áp xả tăng lên

Trang 17

Như trên đã xét khi sức cản nạp và kháng áp xả tăng lên sẽ làm giảm Gk, α và dẫn đến ηI, ηm, ηn cũng giảm theo Từ phương trình tổng quát của động cơ Diesel:

Ne =K.gct ηi ηm.n

Ta thấy Ne giảm và tính kinh tế cũng xấu đi và ge=Gnl/ Ne tăng lên Trong sử dụng cần lưu ý trường hợp khí xả đi ngược vào đường ống nạp khi có sự tác động đồng thời của sức cản nạp và kháng áp xả

d Các giải pháp nâng cao η v

* Hệ số nạp ηv là tỷ số giữa khối lượng môi chất thực tế nạp vào xylanh Gtt và lượng môi chất theo lý thuyết Gl t chứa trong thể tích công tácVh ở nhiệt độ áp suất trên đường ống nạp tk và pk Hệ số nạp ηv được tính như sau :

ηv =Gtt/Gl t

Do tổn thất khí động qua xupáp nạp, do khí sót trong xylanh giãn nở ở đầu quá trrình nạp và do môi chất mới được sấy nóng bởi khí sót và các chi tiết có nhiệt độ cao trong xylanh nên thông thường ηv <1

* Trong quá trình thay đổi môi chất thực tế, dòng chảy trong các đường ống không phải là dòng chảy dừng, ổn định mà là dòng không dừng giống như sóng dồn bão giật có sóng nén, sóng giãn nở, coa sự truyền sóng và gây

ra sóng phản xạ, trong điều kiện nhất định sẽ gây ảnh hưởng tới quá trình nạp – thải của động cơ

*Lợi dụng hiệu ứng động của áp suất khí thể trong đường ống nạp và thải

Hình 1.9 Các tình huống tương giao các dao động sóng áp suất của kỳ nạp

I-mạch động kỳ nạp; II- sóng hợp; III- sóng hợp mới

Trong quá trình thay đổi môi chất, trên đường ống thải, do kích thích của dòng chảy cao tốc của sản vật cháy từ xylanh phun ra và trong ống nạp

do kích thích lực hút của pittông đã tạo ra các sóng áp suất, các sóng này được truyền qua lại trong đường ống tạo nên hiệu ứng động của dao động áp suất Có thể lợi dụng hiệu ứng kể trên để cải thiện chất lượng thay đổi môi chất giúp thải sạch khí sót và nạp đầy môi chất mới vào xilanh

Trong quá trình nạp do tác dụng hút của pittông đã tạo ra sóng giãn nở (sóng áp âm) truyền vào đường nạp, tới miệng hở được phản xạ thành sóng nén (sóng áp dương) truyền về phía xupáp Nếu sóng nén truyền tới khu xupáp, mà xupáp chưa đóng, sẽ làm tăng áp suất ở khu vực trước xupáp và làm tăng hệ số nạp Sau khi xupáp nạp đã đóng, sóng áp suất còn lưu lại vẫn tiếp tục truyền qua truyền lại trong ống Nếu lúc bắt đầu xupáp nạp của lần kế tiếp mà gặp tàn dư của sóng nén truyền tới sẽ làm tăng thêm hệ số nạp ηv Để tiện phân tích người ta còn gọi ảnh hưởng của sóng nén do phản xạ sóng dãn nở của kỳ nạp đang xét tới hệ số nạp ηv là hiệu ứng quán tính, còn ảnh hưởng của tàn dư sóng nén tới hệ số nạp ηv của kỳ nạp tiếp theo là hiệu ứng mạch động

Hình 1.8 giới thiệu một số tình huống tương dao các dao động do sóng áp suất trên đường nạp Hình 1.3a thể hiện thời gian nạp khí ts rất ngắn, đường nạp dài, sóng nén phản xạ chưa truyền tới thì xupáp nạp đã đóng, nghĩa là thời gian t để sóng áp suất qua lại một lần lớn hơn thời gian nạp khí

ts (t >ts), không có hiệu ứng quán tính Hình 1.3b thể hiện t < ts, sẽ có hiệu ứng quán tính Do các sóng áp âm và sóng áp dương gặp nhau làm cho áp suất phía trước xupáp vào cuối kỳ nạp trở thành áp suất dương, làm tăng hệ số nạp ηv Hình1.3c thể hiện rõ ngoài hiệu ứng quán tính còn có hiệu ứng mạch động Nhờ hiệu ứng mạch động đã làm tăng thêm áp suất phía trước xupáp, làm cho hệ số nạp ηv tăng hơn

Trang 19

Hình 1.10 Lan truyền tàn dư của sóng áp suất

Trong hiệu ứng mạch động, muốn cho sóng nén dư phản xạ thành sóng nén của lần nạp kế tiếp, thì trong thời gian giữa hai lần nạp sóng áp suất phải đi và lại mỗi chiều hai lần (hình 1.4) hoặc đi và lại bốn lần hoặc nhiều hơn Nhưng số lần càng nhiều sóng càng yếu, hiệu quả càng kém Nếu sóng nén đạt giá trị cực đại phía trước xupáp nạp đúng vào thời điểm trước khi đóng kín xupáp, sẽ cho hiệu quả tăng ηv tốt nhất

1.3.3.Tiết diện lưu thông và các ảnh hưởng của nó tới các chỉ tiêu và thông số công tác của động cơ:

a.Đồ thị thời gian tiết diện:

Ảnh hưởng của pha phân phối khí tới quá trình nạp và thải của động

cơ bốn kỳ được thể hiện qua hệ số nạp thêm λ1 và hệ số quét buồng cháy λ 2.Các hệ số ấy làm cho giá trị của ηv và γr tính theo pha phân phối lý thuyết được sát với giá trị thực trong động cơ thực tế

Hiện nay chưa có một phương pháp giải tích chặt chẽ để xác định λ 1 và λ 2theo thời điểm mở và đóng các xupáp nạp và xupáp xả, λ 1, λ 2 được chọn dựa vào số liệu thực nghiệm Vì vậy cần phải tìm hiểu kỹ các pha phân phối của những động cơ đã chế tạo và ảnh hưởng của chúng tới diễn biến quá trình thải và nạp của động cơ

Pha phân phối khí thể hiện qua các góc mở sớm và đóng muộn của các xupáp còn làm tăng trị số “thời gian – tiết diện” A(m2.s) của đường thông đi qua xupáp nạp cũng như xupáp xả từ lúc mở đến lúc đóng xupáp, kết quả là làm tăng ηv

d

Hình 1.11 Trị số “ thời gian- tiết diện “ của xupap nạp

- φ góc mở sớm, trước ĐCT

- φ 1 góc đóng muộn, sau ĐCT

γr giảm xuống mức tối thiểu có thể.và quá trình nạp được nhiều hơn, đầy hơn, hệ số nạp ηv cao

Xupáp thải bắt đầu mở sớm trước khi piston tới ĐCD nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình thải, bằng cách cho sản vật cháy tự thoát ra nhờ sự chênh áp giữa xylanh và đường thải Với mục đích giảm tải trọng động cho xupáp, cần phải cho xupáp mở và đóng một cách từ từ Chính vì vậy việc mở sớm xupáp thải nhằm tạo ra giá trị “thời gian – tiết diện” đủ để áp suất trong xylanh được giảm tới mức yêu cầu khi piston bắt đầu đi ngược từ ĐCD lên ĐCT Khi đã mở xupáp thải vào thời điểm hợp lý sẽ làm giảm công tiêu hao cho việc đẩy khí thải Nhưng nếu mở xupáp thải quá sớm sẽ làm giảm công giãn nở trên đồ thị công, qua đó làm giảm công suất động cơ Tốc độ động cơ càng cao thì thời điểm mở xupáp thải càng phải sớm Xupáp thải bao giờ cũng đóng muộn (Sau khi piston đã đi qua điểm chết trên) nhằm đảm bảo đủ trị số “thời gian _ tiết diện” cho sản vật cháy đi ra ở cuối hành trình thải, mặt khác nhằm lợi dụng chênh áp ΔPr = Pr – Pth > 0 để sản vật cháy được thải tiếp, giảm lượng khí sót còn lại trong xylanh Ngoài

ra việc đóng muộn xupáp xả còn nhằm sử dụng quán tính của dòng khí trên đường thải, sing ra giảm áp có tính chu kỳ, thấp hơn giá trị trung bình Pth, tạo điều kiện thuận lợi để thải sạch hơn

Trang 21

Thời gian bắt đầu mở xupáp nạp cần chọn sao cho khi áp suất trong xylanh (do giãn nở của khí sót) hạ xuống thấp hơn áp suất môi chất trên đường nạp, thì tiết diêïn lưu thông của xupáp nạp đã đủ lớn để môi chất mới dễ đi vào Do đó thường phải mở sớm xupáp nạp(trước khi piston tới ĐCT) Phần lớn động cơ cao tốc, nhất là động cơ diesel, do đóng muộn xupáp xả và mở sớm xupáp nạp đã tạo ra thời kỳ trùng điệp cùng mở của các xupáp, nghĩa là cả xupáp nạp và xupáp thải cùng mở thông xylanh với đường nạp và đường thải Lúc ấy, mặc dù piston đã từ ĐCT đi xuống nhưng dòng khí trên đường thải vẫn chưa đổi hướng, còn khí nạp đã bắt đầu qua xupáp nạp đi vào xylanh nhờ lực hút do quán tính của dòng khí thải tạo ra Đôi khi thời gian trùng điệp còn thực hiện quét buồng cháy, nghĩa là môi chất mới vào buồng cháy đẩy khí sót ra đường thải (động cơ diesel)

Thông thường thời gian trùng điệp của động cơ tăng áp lớn hơn động cơ không tăng áp, bằng cách tăng thời gian mở xupáp nạp của động cơ tăng áp mà sản vật cháy vẫn không thâm nhập vào đường nạp được Thực hiện quét buồng cháy khi tăng áp một mặt sẽ tăng hệ số nạp, mặt khác rất quan trọng là dùng dòng không khí quét để làm mát các chi tiết nóng nhất như: đỉnh piston, nắp xylanh, xupáp xả …

Xupáp nạp cũng thường đóng muộn, sau khi piston đã vượt qua ĐCD nhằm nạp thêm môi chất mới vì ở ĐCD:tiết diện lưu thông qua xupáp còn mở lớn; áp suất Pa trong xylanh còn thấp hơn áp suất Pk, quán tính của môi chất mới từ đường nạp vào xylanh vẫn còn Do đó có thể kéo dài quá trình nạp thêm một giai đoạn sau ĐCD cho tới khi áp suất trong xylanh trở nên lớn hơn Pk Thời gian mở sớm và đóng muộn các xupáp được đo theo góc quay trục khuỷu và tính bằng độ Các góc mở sớm và đóng muộn các xupáp tạo thành pha phân phối khí của động cơ Đồ thị thời gian tiết diện cho ta thấy thời điểm mà các xupáp bắt đầu đóng hoặc bắt đầu mở tính theo góc quay trục khuỷu Đồ thị thời gian tiết diện cũng cho ta thấy được thời gian mở các xupáp dài hay ngắn trong mỗi chu trình của động cơ

Mặt khác, đồ thị thời gian tiết diện cũng cho ta xác định được trị số tiết diện lưu thông của khí mới hoặc khí thải qua các của nạp hoặc qua các của xả của từng xylanh động cơ Thông thường thì tiết diện lưu thông của của nạp và của cửa xả có trị số bằng nhau, nhưng đôi khi người ta ưu tiên cho việc nạp đầy (tăng hệ số nạp) ở một số động cơ, do đó tiết diện lưu thông của cửa nạp sẽ lớn hơn tiết diện lưu thông của cửa xả

1.4/ Thời điểm đóng mở xupap:

Thời điểm xupap liên quan đến khi nào và trong thời gian bao lâu các xupap mở Hình 2.19 sẽ cho thấy biểu đồ thời điểm xupap tiêu biểu Các đặc

điểm kỹ thuật cho bằng độ góc khuỷu trước và sau TDC hay BDC SAE Recommended Practice đo các điểm của thời điểm tại 0,15 mm [0,006 inch] khi xupap được nâng lên Với các con đội cơ khí, các xupap đầu tiên phải được điều chỉnh để có khe hở theo qui định

Hình 1.11: Thời điểm xupap thải và thời điểm xupap nạp

Chu kỳ hoàn tất của các sự việc được trình bầy như một vòng xoắn ốc 7200, mà nó biểu thị hai vòng quay hoàn tất của trục khuỷu Thời điểm của xupap thay đổi cho các động cơ khác nhau.Ơ Ûhình 2.19 xupap thải sẽ bắt đầu mở tại 470 trước BDC ở hành trình công suất Xupap sẽ ở vị trí mở mãi tới 210 sau TDC ở hành trình nạp Điều này sẽ cho nhiều thời gian hơn để khí thải rời khỏi xylanh Bằng thời điểm piston tới 470 trước BDC ở hành trình công suất, áp lực khí chảy giảm xuống đáng kể Một công suất nhỏ bị mất bởi sự cho khí thải có thêm thời gian để thoát

Xupap nạp ở (hình 1.11) bắt đầu mở 120 trước TDC Nó sẽ duy trì mở tới 560 qua BDC sau đó hành trình nạp kết thúc Điều này sẽ cho thời gian thêm vào để hỗn hợp khí đi vào trong xylanh

Xupap thải đóng 210 sau khi xupap nạp mở (hình1.11) Điều này là một góc trùng điệp 330 Góc trùng điệp là số đo của góc tính bằng độ mà do sự xoay của trục khuỷu trong khi mà các hai xupap nạp và xupáp thải cùng mở Các xupap không mở và không đóng ngay tức thì Nó giữ một góc độ riêng của sự quay trục khuỷu cho các xupap mở hay đóng hoàn toàn sau khi sự đi

Động cơ có hiệu suất dung tích thấp hơn tại tốc độ cao Khi tốc độ động

cơ tăng, các xupap thì mở một thời gian ngắn hơn Điều này có nghĩa là giảm hỗn hợp khí vào trong các xylanh Nếu các xupap nạp được mở sớm hơn tại tốc độ cao, hỗn hợp khí sẽ khởi động vào trong sớm hơn vì vậy

xylanh sẽ nhận được nhiều hơn

II/:PHÂN TÍCH ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÍ VVT-I:

1./.Giới thiệu chung:

FIAT là hãng xe hơi trên thế giới phát minh ra hệ thống có thể thay đổi thời điểm phối khí bao gồm sự thay đổi về độ nâng van Được phát triển bởi Giovanni Torazza vào cuối những năm 1960, hệ thống này đã sử dụng áp suất bằng thủy lực để làm thay đổi điểm tựa của cam cho phù hợp ( phát minh US 3.641.988 ).Áp suất thủy lư này thay đổi tuỳ theo tốc độ động cơ và áp suất của van nạp Độ mở của van có thể thay đổi tới 37%

Hình 2.1 Cơ cấu thay dổi thời điểm của hãng FIAT- Distribution Torazza (1970)

Trang 25

Hình 2.2 Các loại cơ cấu thay đổi cổ điển

Vào tháng 9 năm 1975, hãng General Motor phát minh ra hệ thống có ý định là thay đổi độ nâng van GM đã chú ý đến họng của van nạp nhằm giảm bớt lượng nhiệt thoát ra Bằng cách giảm đến mức tối thiểu lượng nâng van tại tải trọng thấp mà vẫn giữ được tốc độ nạp cao, do đó làm nhỏ lại họng nạp GM đã không giải quyết được vấn đề khi hoạt động ở độ nâng rất thấp nên dự án đã bị bỏ dở

Hãng Alfa Romeo là hãng sãn xuất xe đầu tiên đã sử dụng hệ thống thay đổi thời điểm độ nâng van trong sản xuất xe(phát minh US 4.231.330) Chiếc xe Alfa Romeo Spider 2.0L năm 1980 đã sử dụng hệ thống VVT với hệ thống phun xăng Spica và được bán ở Mỹ Về sau nó cũng còn được sử dụng trên model xe Alfetta 2.0 Quandrifoglio Oro vào năm 1983 cũng như các loại xe khác

Hình 2.3 Cơ cấu của hãng ALFA

Năm 1986, hãng Nissan cũng phát triển hệ thống VVT riêng của họ với động cơ VG30DE(TT) cho loại xe Concept Mid-4 của họ Nissan đã tập trung chính vào việc sản xuất hệ thống NVCS của mình (Nissan Valve-Timing Control System) tại tốc độ momen xoắn nhỏ và trung bình, bởi vì phần lớn động cơ không hoạt động nhiều ở tốc độ cao Hệ thống NVCS này có thể đáp ứng được cả hai yêu cầu là tốc độ cầm chừng êm dịu và hoạt động nhiều ở tốc độ thấp và trung bình Mặc dù vậy nó vẫn hoạt động tốt được ở tốc độ cao, nhưng hệ thống vẫn tập trung chính là phạm vi tốc độ thấp và trung bình Động cơ VG30DE là loại động cơ đầu tiên áp dụng và được lắp ráp trên model xe 300ZX(Z31)300ZR vào năm 1987, đây là loại ôtô đầu tiên sử dụng kỹ thuật điều khiển VVT bằng điện tử

Hình 2.4.Cơ cấu trên động cơ Nissan Maxima

Với bước tiếp theo là vào năm 1989, Honda với hệ thống VTEC (Variable Valve Timing And Lift Electronic Control) Honda bắt đầu sản xuất hệ thống này nhằm làm cho động cơ có khả năng hoạt động trên các chế độ của cam khác nhau, bằng cách điều chỉnh lại trong việc thiết kế Một chế độ được thiết kế để mở van tại tốc độ động cơ thấp, được quy định bởi một phương pháp có lợi khi cần sự tiêu hao nhiên liệu thấp và phát ra công suất nhỏ Ở chế độ nâng cao, chế độ thời gian hoạt động dài, và hoạt động suốt khi tốc độ cao nhằm gia tăng công suất đầu ra

Trang 27

Hình 2.5 Cơ cấu của xe HONDA CBR 400 REV(1983)

Hệ thống VTEC này đã được phát triển xa hơn nữa nhằm mục đích chính là mức tiêu thụ nhiên liệu là thấp nhất Động cơ sử dụng hệ thống VTEC là B16A được dùng trên xe hatchback Integra/CRX/Civic được bán ở Nhật và châu Âu Năm1991 chiếc xe Acura/Honda NSX với động cơ C30A trở thành loại xe đầu tiên có hệ thống VVT được bán ở Mỹ Hệ thống VTEC được xem là một trong số ít hệ thống được sản xuất tơi bây giờ

Hình 2.6 Cơ cấu VTEC của hang HONDA

Năm 1991, Trường Đại Học Clemson đã nghiên cứu phát minh ra trục cam Clemson, nó được thiết kế để cung cấp tiếp tục thời gian biến thiên của van một cách độc lập chô cả hai van nạp và xả trên cùng một trục vam điều khiển

Vào năm 1992 hãng BMW đã giới thiệu hệ thống VANOS (Variable Nockenwellen Steuerung) Nó cũng tương tự như hệ thống NVCS của

Nissan, nó có thể cung cấp sự thay đổi về thời gian cho trục cam nạp theo từng bước hoặc theo từng giai đoạn Hệ thống VANOS này có sự khác biệt là nó có thể cung cấp thêm một bước cho cả ba giai đoạn

Hình 2.7 Cơ cấu của hãng BMW

Sau đó vào năm 1998, hệ thống Double VANOS được giới thiệu, nó có thể điều khiển sự tăng mức độ đốt cháy nhiên liêïu một cách to lớn, tăng công suất, mômen xoắn và đưa ra mức độ không tải tốt hơn,tiết kiệm nhiên liệu hơn

Hệ thống Double VANOS này là hệ thống đầu tiên điều khiển bằng điện tử, điều khiển sự hoạt động liên tục của cả van nạp và van xả

Hình 2.8 Cơ cấu Double VANOS của hãng BMW

Trang 29

Năm 2001, hãng BMW giới thiệu hệ thống Valvetronic,đây là hệ thống duy nhất có thể làm thay đổi độ nâng van nạp một cách liên tục, cộng thêm thời gian cho cả hai van nạp và xả Hệ thống điều khiển chính xác đã chú ý nhiều hơn đến nhiệm vụ của van nạp để điều khiển hoàn toàn van nạp, chú ý đến sự cần thiết của van tiết lưu và giảm sự tổn thất lớn của bơm Khi tính toán để giảm được tổn thất của bơm, có thể tăng công suất đầu ra thêm 10% vàtiết kiệm nhiên liệu

Hãng Ford đã trở thành nhà sản xuất đầu tiên sử dụng hệ thống thay đổi thời điểm phối khí trên xe tải pick-up, với loại xe được bán chạy là model F-series vào năm 2004 Động cơ được sử dụng là động cơ 5.4L 3 valve Triton

Vào năm 2005 hãng General Motor đã đưa ra hệ thống Variable Valve Timing cho động cơ I-head V6, gồm có LZE và LZ4

2./.PHÂN TÍCH ĐẶC ĐIỂM, CẤU TẠO CỦA HỆ THỐNG THAY ĐỔI THỜI ĐIỂM PHỐI KHÍ VVT-I:

a./.Nguyên lý hoạt động:

Hệ thống VVT-I là một kĩ thuật thay đổi thời điểm phối khí được phát triển bởi TOYOTA Hệ thống VVT-I đã thay thế hệ thông VVT đơn giản vào năm 1991 trên động cơ 4A-GE 20 valve Hệ thống VVT-I được giới thiệu vào năm 1996, thay đổi thời gian của van nạp bằng cách điều chỉnh mối quan hệ giữa trục cam điều khiển (dây đai, vị trí bánh răng hoặc dây xích)

Hình 2.9 Cơ cấu VVT-I của hãng TOYOTA

Áp suất dầu của động cơ sẽ đẩy tới bộ truyền động cho đúng với vị trí trục cam Năm 1998 Dual VVT-I (Điều chỉnh cả van xả và van nạp),được giới thiệu trên động cơ RS2000 Altezza’s 3S- GE.Dual VVT-I còn được sử dụng trên động cơ V6 mới 3.5L2GR-FE V6 Động cơ này được sử dụng trên các loại xe như Avalon, RAV4 và Camry ở Mỹ, Aurion ở Australia và một vài model ở Nhật, có cả xe Estima

Hình 2.9 Cơ cấu VVT-I trên động cơ LEXUS

Những động cơ Dual VVT-I cũng sẽ sớm được giới thiệu trên các model mới của TOYOTA, bao gồm cả động cơ 4 xilanh mới trên loại xe Corolla 2007/2008 Cũng giốâng như sự nổi tiếng trên trên động cơ 2GR-FSE D-4S của loại xe Lexus GS450h

Trang 31

Hình 2.10 Cơ cấu VVT-I trên động cơ LEXUS

Hệ thống VVT đã được sử dụng rộng khắp và được nhiều công ty sản xuất ô tô áp dụng cách đây cũng hơn 40 năm Hệ thống VVT đơn giản đã được sử dụng và đem lại kết quả khả quan Hệ thống gồm hai bộ phận chính là : solenoid điều khiển dầu và cơ cấu VVT

Hình 2.11 Cơ cấu VVT cổ điển

Trên hình đã thể hiện một vài bộ phận rời, nhưng có thể thấy rõ được hai bộ phận chính :cơ cấu ròng rọc VVT và OCV ( Oil Control Valve, hoặc oil solenoid)

Hệ thống VVT ban đầu đã thể hiển một cách tương đối đơn giản: tại số vòng quay rõ ràng (4400 rpm trên động cơ 20 valve 4AGE’s) tín hiệu từ máy tính sẽ làm cho OCV mở, nó sẽ làm cho áp suất dầu đi qua một đường đặc biệt trong cam nạp, đi xuyên qua trung tâm của cam nạp tới pully VVT Trong đó có một piston nhỏ, áp suất dầu này sẽ đẩy piston ra phía sau, làm cho phần phía ngoài của pully điều chỉnh đúng với phần bên trong, vì then hình trôn ốc nên đièu khiển hướng đi của piston.Như vậy, khi tín hiệu từ máy tính làm VVT hoạt động, OCV mở, đó là nguyên nhân làm pully VVT hoạt động sớm hơn 300 (sớm hơn 150 so với bản thân pully)

Thông thường, thời điểm phối khí của động cơ đều được cố định, những hệ thống VVT-I đã sử dụng áp suất thủy lực để xoay trục cam nạp và làm

thay đổi thời điểm phối khí để tăng công suất, tăng tính kinh tế nhiên liệu và giảm lượng khí xả ô nhiễm môi trường

Hình 2.12 Cơ cấu VVT-i

Cơ cấu này tối ưu hoá góc phối khí của trục cam nạp dựa trên chế độ làm việc của động cơ phối hợp với các thông số điều khiển chủ động

Hiệu suất làm việc của động cơ phụ thuộc rất nhiều vào hoạt động cung cấp nhiên liệu Hệ thống điện tử điều khiển van nạp biến thiên VVT-I được thiết kế với mục đích nâng cao mômen xoắn của động cơ, cắt giảm tiêu thụ nhiên liệu và khí thải độc hại Các bộ phận của hệ thống gồm: bộ xử lý trung tâm ECU 32 bit, bơm và đường dẫn dầu, bộ điều khiển phối khí (VVT) với các van điện, các cảm biến: VVT, vị trí bướm ga, lưu lượng khí nạp, vị trí truc khuỷu, nhiệt độ nước Ngoài ra, VVT-I thường được thiết kế đồng bộ với cơ cấu bướm ga điện tử ECTS-I, đầu phun nhiên liệu 12 lỗ (loại bỏ sự hỗ trợ bằng khí ) và bộ chia điện bằng điện tử cùng các bugi đầu iridium

Hình 2.13.Bướm ga điện tử và các cảm biến cơ cấu VVT-i

Trang 33

Trong quá trình hoạt động, các cảm biến vị trí trục khuỷu, vị trí bườm

ga và lưu lượng khí nạp cung cấp các dữ liệu chính đưa về ECU để tính toán thông số phối khí theo yêu cầu chủ động Các cảm biến nhiệt độ nước làm mát động cơ cung cấp dữ liệu hiệu chỉnh, còn các đầu đo VVT và vị trí trục khuỷu thì cung cấp các thông tin về tình trạng phối khí thực tế

Hình 2.14 Cơ cấu VVT-i

Trên cơ sở các yếu tố chủ động, hiệu chỉnh và thực tế, ECU sẽ tổng hợp được lệnh phối khí tối ưu cho buồng đốt Lệnh này được tính toán trong vài phần nghìn giây và quyết định đóng (mở) các van điện của hệ thống thủy lực

Áp lực dầu sẽ tác động thay đổi vị trí bộ điều khiển phối khí, mở các xupap nạp đúng mức cần thiết vào thời điểm thích hợp Như vậy, thay cho hệ thống cam kiểu cũ vói độ mở xupap không đổi, VVT-I đã điều chỉnh vô cấp hoạt động của các van nạp

Độ mở và thời điểm mở biến thiên theo sự phối hợp các thông số về lưu lượng khí nạp, vị trí bướm ga, tốc độ và nhiệt độ động cơ

Hình 2.15 Bộ ECU của cơ cấu VVT-i

Ngoài ra, còn một cảm biến đo nồng độ oxy dư đặt ở cụm góp xả cho biết tỷ lệ % nhiên liệu được đốt Thông tin từ đây được gửi về ECU và cũng được phối hợp xử lý khi hiệu chỉnh chế độ nạp tối ưu nhằm tiết kiệm xăng và bảo vệ nhiên liệu

b./.Cấu tạo của cơ cấu VVT-I:

Bộ chấp hành của hệ thống VVT-I bao gồm bộ điều khiển VVT-I dùng để xoay trục cam nạp, áp suất dầu dùng làm lực xoay cho bộ điều khiển VVT-I, và van điều khiển để điều khiển đường đi của dầu

Trang 35

Hình 2.16.Cấu tạo của VVT-i

Bộ điều khiển bao gồm một vỏ được dẫn động bởi xích cam và các cánh gạt được cố định trên trục cam nạp.Áp suất dầu đi từ phía làm sớm hay làm muộn trục cam nạp sẽ xoay các cánh gạt của bộ điều khiển VVT-I để thay đổi liên tục thời điểm phối khí của trục cam nạp

Hình 2.17.Cấu tạo của VVT-i

Khi động cơ ngừng, trục cam nạp chuyển động đến trạng thái muộn nhất để duy trì khả năng khởi động Khi áp suất dầu không truyền đến bộ điều khiển VVT-I ngay lập tức, sau khi động cơ khởi động, chốt hãm sẽ hãm các cơ cấu hoạt động của bộ điều khiển VVT-I để tránh tiếng gõ

Hình 2.18 Các hình của cỏ cấu VVT-i

Nguyên lý hoạt động của van điều phối:

Van điều phối trục cam hoạt động theo sự điều khiển (tỷ lệ hiệu dụng) từ ECU động cơ để điều khiển vị trí của van ống và phân phối áp suất dầu cấp đến bộ điều khiển VVT-I để làm sớm hay làm muộn góc mở xu-páp nạp Khi động cơ ngừng hoạt động, thời điểm phối khí xu-páp nạp được giữ

ở góc muộn tối đa

Van điều phối kiểm soát điều khiển áp suất dầu đến bộ điều khiển VVT- I tương ứng với độ lớn dòng điện từ ECU động cơ bộ điều khiển VVT- i

Trang 37

Bộ điều khiển VVT- I quay trục cam nạp tương ứng với vị trí nơi mà đặt

áp suất dầu vào,để làm sớm ,làm muộn hoặc duy trì thời điểm phối khí.ECU

động cơ tính toán thời điểm đóng mở xupap tối ưu dưới các điều kiện hoạt

động khác nhau theo tốc độ động cơ ,lưu lượng khí nạp ,vị trí bướm ga và

nhiệt độ làm mát để điều khiển van điều khiển dầu phối khí trục cam Hơn nữa ECU dùng các tín hiệu từ cảm biến vị trí trục cam và cảm

biến vị trí trục khuỷu để tính toán thời điểm phối khí thực tế và thực hiện

điều khiển phản hồi để đạt được thời điểm phối khí chuẩn

Hình 2.20 Đường đi của dầu trong van điều phối

3./.CÁC PHƯƠNG PHÁP THAY ĐỔI THỜI ĐIỂM PHỐI KHÍ:

a./.Thay đổi thời điểm phối khí bằng cách xoay trục cam:

Hình 2.21.Quá trình hoạt động

Như trong hình minh họa, hệ thống này được thiết kế để điều khiển thời điểm phối khí bằng cách xoay trục cam tính theo góc quay của trục khuỷu để đạt được thời điểm phối khí tối ưu cho các điều kiện hoạt động của động

cơ dựa trên tín hiệu từ các cảm biến

Hình 2.22.Van điều phối dầu

1.Làm sớm thời điểm phối khí:

Trang 39

Khi van điều phối được đặt ở vị trí như trên hình vẽ ,bộ ECU của động cơ điều khiển áp suất dầu tác động lên khoang cánh gạt phía làm sớm thời điểm phối khí để quay trục cam nạp về chiều làm sớm thời điểm phối khí

Hình 2.23.Van điều phối dầu ở vị trí phía làm sớm

2.Làm muộn thời điểm phối khí:

Khi ECU đặt van điều phối trục cam ở vị trí như trong hình vẽ ,áp suất dầu tác động lên khoang cánh gạt phía làm muộn thời điểm phối khí để làm quay trục cam nạp theo chiều quay làm muộn thời điểm phối khí