NGHIÊN cứu một số hệ THỐNG CAM THÔNG MINH

MỤC LỤCLời mở đầuChương 1 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÍ1.1 Nhiệm vụ, yêu cầu, phân loại11.1.1 Nhiệm vụ11.1.2 Yêu cầu11.1.3 Phân loại11.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của hệ thống phân phối khí trên DCDT21.2.1 Hệ thống phân phối khí xupap treo loại OHV21.2.2 Hệ thống phân phối khí xupap treo loại OHC31.2.3 Hệ thống phân phối khí không trục cam (Camless)41.3 Ảnh hưởng của việc thay đổi pha phân phối khí tới hiệu quả động cơ61.3.1 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm mở xupap thải71.3.2 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm đóng xupap thải81.3.3 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm mở xupap nạp91.3.4 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm đóng xupap nạp101.4 Ảnh hưởng của việc thay đổi độ nâng xupap tới hiệu quả động cơ161.5 Nguyên lý điều chỉnh trên các hệ thống cam thông minh22Chương 2 : HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÍ TRÊN XE TOYOTA2.1 Giới thiệu252.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống VVTi282.2.1 Cấu tạo cơ cấu VVTI282.2.2 Phương pháp thay đổi thời điểm phối khí292.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống VVTLi332.3.1 Mô tả332.3.2 Cấu tạo342.3.3 Hoạt động36Chương 3 : HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÍ TRÊN XE HONDA3.1 Giới thiệu và phân loại393.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của SOHC VTEC413.2.1 Cấu tạo413.2.2 Nguyên lý hoạt động453.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của DOHC VTEC473.4 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của NEW VTEC483.5 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của VTEC 3 giai đoạn533.6 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của VTECE563.7 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của iVTEC573.7.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của VTC593.7.2 Các chế độ hoạt động cơ bản của iVTEC61Chương 4 : HỆ THỐNG MIVEC TRÊN XE MITSUBISHI4.1 Giới thiệu654.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của hệ thống thay đổi độ nâng xupap664.3 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động hệ thống thay đổi thời điểm phối khí694.3.1 Cấu tạo694.3.2 Nguyên tắc hoạt động714.3.3 Các chế độ hoạt động734.4 Đồ thị mômen, công suất và tiêu hao nhiên liệu76Chương 5 : HỆ THỐNG VANOS VÀ VALVETRONIC TRÊN XE BMW5.1 Hệ thống Vanos 785.1.1 Giới thiệu785.1.2 Cấu tạo795.1.3 Nguyên lý hoạt động825.2 Hệ thống Valvetronic845.2.1 Giới thiệu845.2.2 Cấu tạo865.2.3 Nguyên lý hoạt động875.3 Đồ thị công suất và mômen động cơ89Chương 6 : HỆ THỐNG MULTIAIR TRÊN XE FIAT6.1 Lịch sử phát triển906.2 Cấu tạo916.3 Nguyên lý hoạt động926.4 Sự phát triển trong tương lai95KẾT LUẬN97PHỤ LỤC (Mạch điện)98TÀI LIỆU THAM KHẢO

MỤC LỤC

Lời mở đầu

Chương 1 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÍ

1.1 Nhiệm vụ, yêu cầu, phân loại 1

1.1.1 Nhiệm vụ 1

1.1.2 Yêu cầu 1

1.1.3 Phân loại 1

1.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của hệ thống phân phối khí trên DCDT 2

1.2.1 Hệ thống phân phối khí xupap treo loại OHV 2

1.2.2 Hệ thống phân phối khí xupap treo loại OHC 3

1.2.3 Hệ thống phân phối khí không trục cam (Camless) 4

1.3 Ảnh hưởng của việc thay đổi pha phân phối khí tới hiệu quả động cơ 6

1.3.1 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm mở xupap thải 7

1.3.2 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm đóng xupap thải 8

1.3.3 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm mở xupap nạp 9

1.3.4 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm đóng xupap nạp 10

1.4 Ảnh hưởng của việc thay đổi độ nâng xupap tới hiệu quả động cơ 16

1.5 Nguyên lý điều chỉnh trên các hệ thống cam thông minh 22

Chương 2 : HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÍ TRÊN XE TOYOTA 2.1 Giới thiệu 25

2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống VVT-i 28

2.2.1 Cấu tạo cơ cấu VVT-I 28

2.2.2 Phương pháp thay đổi thời điểm phối khí 29

2.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống VVTL-i 33

2.3.1 Mô tả 33

2.3.2 Cấu tạo 34

2.3.3 Hoạt động 36

Chương 3 : HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÍ TRÊN XE HONDA 3.1 Giới thiệu và phân loại 39

3.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của SOHC VTEC 41

3.2.1 Cấu tạo 41

3.2.2 Nguyên lý hoạt động 45

3.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của DOHC VTEC 47

3.4 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của NEW VTEC 48

3.5 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của VTEC 3 giai đoạn 53

3.6 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của VTEC-E 56

3.7 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của i-VTEC 57

3.7.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của VTC 59

3.7.2 Các chế độ hoạt động cơ bản của i-VTEC 61

Chương 4 : HỆ THỐNG MIVEC TRÊN XE MITSUBISHI 4.1 Giới thiệu 65

4.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của hệ thống thay đổi độ nâng xupap 66

4.3 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động hệ thống thay đổi thời điểm phối khí 69

4.3.1 Cấu tạo 69

4.3.2 Nguyên tắc hoạt động 71

4.3.3 Các chế độ hoạt động 73

4.4 Đồ thị mômen, công suất và tiêu hao nhiên liệu 76

Chương 5 : HỆ THỐNG VANOS VÀ VALVETRONIC TRÊN XE BMW 5.1 Hệ thống Vanos 78

5.1.1 Giới thiệu 78

5.1.2 Cấu tạo 79

5.1.3 Nguyên lý hoạt động 82

5.2 Hệ thống Valvetronic 84

5.2.1 Giới thiệu 84

5.2.2 Cấu tạo 86

5.2.3 Nguyên lý hoạt động 87

5.3 Đồ thị công suất và mômen động cơ 89

Chương 6 : HỆ THỐNG MULTIAIR TRÊN XE FIAT 6.1 Lịch sử phát triển 90

6.2 Cấu tạo 91

6.3 Nguyên lý hoạt động 92

6.4 Sự phát triển trong tương lai 95

KẾT LUẬN 97

PHỤ LỤC (Mạch điện) 98

TÀI LIỆU THAM KHẢO 120

hệ thống phun nhiên liệu và đánh lửa bằng điện tử , cải tiến trong hệ thống nạp

và thải của động cơ…Gần đây những cải tiến quan trọng nhằm tối ưu hóa hiệu suất động cơ thường liên quan tới hệ thống nạp và đó là lý do chúng em quyết

định chọn đề tài “Nghiên cứu một số hệ thống điều khiển cam thông minh ” do

Thầy Th.S Lý Văn Trung hướng dẫn

Trong đề tài này chúng em tập trung nghiên cứu cơ sở lý thuyết của hệ thống phân phối khí và đi sâu vào việc tối ưu hóa thời gian, thời điểm, độ nâng

và góc đóng mở của xupap để làm tăng công suất động cơ, tiết kiệm nhiên liệu, thân thiện với môi trường Phần sau chúng em phân tích kết cấu và nguyên lý hoạt động của các hệ thống phân phối khí thông minh trên các hãng xe phổ biến

ở thị trường Việt Nam như TOYOTA, HONDA, MITSUBISI, BMW và FIAT mục đích giúp cho các kỹ sư, kỹ thuật viên và thợ sủa chữa ô tô trong việc bảo dưỡng, sửa chữa Ngoài ra đề tài còn có ý nghĩa trong việc giảng dạy giúp sinh viên hiểu biết sâu hơn về hệ thống phân phối khí trên các động cơ hiện đại ngày nay

Phương pháp nghiên cứu : phân tích, tổng hợp, đánh giá

Sau hơn ba tháng làm đồ án tốt nghiệp giờ đã hoàn thành Chúng em xin chân thành cảm ơn :

Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM đã tạo điều kiện tốt nhất cho chúng em trong suốt quá trình học tập và làm đồ án tốt nghiệp Thư viện trường

đã cho chúng em mượn tài liệu tham khảo để làm đồ án

Khoa Công Nghệ Động Lực đã giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án tốt nghiệp đúng thời gian quy định

Đặc biệt sự hướng dẫn và giúp đỡ của Thầy Th.S Lý Văn Trung, Thầy đã chỉ bảo chúng em tận tình, giúp chúng em vượt qua những khó khăn vướng mắc trong khi hoàn thành đồ án của mình Bên cạnh đó chúng em cảm ơn quý Thầy trong khoa Công Nghệ Động Lực đã cho chúng em những lời khuyên, động viên

và tạo mọi điều kiện để chúng em hoàn thành tốt chương trình học và đồ án tốt nghiệp này

Mặc dù rất cố gắng nhưng do thời gian và trình độ có hạn, nên trong quá trình làm đồ án không thể tránh những thiếu sót Rất mong nhận được sự góp ý, nhận xét, đánh giá về nội dung cũng như hình thức trình bày của quý Thầy và các bạn để chúng em hoàn thành tốt hơn các công việc của mình trong tương lai

Chúng em xin chân thành cảm ơn

Tp HCM ngày 15 tháng 7 năm 2011

Sinh viên thực hiện :

Vũ Đình LượngPhạm Sơn Tùng

Chương 1 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÍ

1.1 Nhiệm vụ, yêu cầu, phân loại

1.1.1 Nhiệm vụ

Hệ thống phân phối khí dùng để nạp đầy hỗn hợp hòa khí đối với động cơ xăng hay không khí sạch đối với động cơ diesel vào các xylanh ở kỳ nạp và thải sạch khí thải trong xylanh ở kỳ xả

Hệ thống phân phối khí dùng cam và xupap được dùng phổ biến trên ĐCDT

do kết cấu đơn giản và dễ dàng điều chỉnh Loại này lại được phân ra nhiều loại:

• Kiểu xupap treo: dùng phổ biến trên các động cơ hiện đại

 Loại OHV (OverHead Valve): trục cam đạt dưới thân máy, xupap bố trí trên nắp máy và được điều khiển qua con đội, đũa đẩy và cò mổ

 Loại OHC (OverHead Camshaft): loại có một trục cam đặt trên nắp máy SOHC (Single OverHead Camshaft) và hai trục cam đặt trên nắp máy DOHC (Double OverHead Camshaft) điều khiển trực tiếp xupap hoặc thông qua cò mổ

• Kiểu xupap đặt: ngày nay ít được sử dụng nên không đề cập trong đề tài

Hệ thống phân phối khí dùng pittông đóng mở các cửa nạp và cửa thải thường được dùng trên động cơ 2 kỳ, có ưu điểm kết cấu đơn giản không phải điều chỉnh sửa chữa nhưng chất lượng trao đổi khí không tốt

Hệ thống phân phối khí dùng van trượt trên xe đặc chủng và xe đua có tiết diện thông qua lớn, chất lượng trao đổi khí cao nhưng giá thành chế tạo mắc

Hệ thống điều khiển xupap bằng điện từ EVA (Electro-magnetic Valve Actuation Systems) ECU nhận tín hiệu từ các cảm biến điều khiển cuộn solenoid hay nam châm điện đóng mở trực tiếp xupap, hệ thống này không sử dụng trục cam và có thể thay đổi được thời điểm, thời gian và độ nâng xupap một cách tối

ưu tùy thuộc vào các chế độ hoạt động của động cơ

1.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của một số hệ thống phân phối khí phổ biến trên ĐCDT hiện nay

1.2.1 Hệ thống phân phối khí xupap treo loại OHV

Hình 1.1 Kết cấu xupap treo loại OHV 1-Ống dẫn hướng 2-Lò xo xupap 3-Đĩa lò xo 4-Móng hãm 5-Xupap 6-Cò mổ.

7-Vít chỉnh xupap 8-Đế xupap 9-Đũa đẩy 10-Con đội 11- Cam

Nguyên lý làm việc: trục cam 11 nằm trong thân máy và được dẫn động trực tiếp bằng bánh răng hoặc qua xích Khi trục cam quay làm cho bề mặt làm

việc của cam tác động vào con đội 10 đẩy đũa đẩy 9 đi lên làm cò mổ xoay quanh trục của nó Đầu kia của cò mổ ấn đuôi xupap đi xuống, lúc này lò xo bị nén lại Xupap đi xuống làm thông của nạp với xylanh động cơ nếu trong kỳ hút hoặc cửa thải với xylanh động cơ nếu trong kỳ xả Khi cam 11 quay hết hành trình tác dụng thì lò xo 2 sẽ dãn ra đóng xupap lại kết thúc quá trình hút hoặc thải Quá trình này diễn ra liên tục khi động cơ hoạt động, mỗi một chu kỳ xupap hút và xả chỉ mở một lần.

Ưu điểm: có các ưu điểm của loại xupap treo như có thể tăng tí số nén động cơ do buồng đốt có kết cấu nhỏ lại, diện tích truyền nhiệt giảm nên giảm tổn thất nhiệt, tăng hệ số nạp và giảm hệ số khí sót do kết cấu đường nạp và thải thông thoáng hơn

Nhược điểm: thân máy và nắp máy có kết cấu phức tạp hơn, tăng chiều cao động cơ và cơ cấu dẫn động phức tạp

1.2.2 Hệ thống phân phối khí xupap treo loại OHC

8 7

1 2 3

6

4 5

Hình 1.2 Kết cấu xupap treo loại OHC 1-Xupap 2-Ống dẫn hướng 3-Lò xo xupap 4-Đĩa lò xo 5-Con đội 6-Cam

7-Móng hãm 8-Đế xupap

Nguyên lý làm việc: trục cam 6 đặt trên nắp máy và được dẫn động bằng trục khuỷu thông qua dây đai hoặc xích Nguyên lý làm việc được chia làm hai

quá trình cơ bản sau: quá trình vấu cam đẩy mở xupap và quá trình lò xo giãn đóng kín xupap.

Quá trình vấu cam đẩy mở xupap: khi động cơ làm việc trục khuỷu quay

làm cho bánh xích dẫn động cơ cấu phân phối khí lắp ở đầu trục khuỷu quay theo, thông qua bộ truyền động xích hoặc đai trung gian dẫn động các bánh xích hoặc bánh đai lắp ở đầu các trục cam do đó làm cho các trục cam đóng mở xupap quay Khi các vấu cam tiếp xúc với con đội 5 làm con đội bắt đầu chuyển động đi xuống tác động vào đĩa lò xo ép lò xo xupap 3 nén lại đồng thời xupap chuyển động đi xuống làm mở các cửa nạp nếu trong giai đoạn nạp khí vào xylanh động

cơ và cửa thải nếu trong quá trình thải thực hiện quá trình nạp môi chất mới và thải khí cháy ra ngoài

Quá trình lò xo giãn đóng kín xupap: khi trục cam tiếp tục quay, vấu cam

di chuyển theo cho đến khi đỉnh của vấu cam vượt qua đường tâm con đội Lúc này con đội 5 bắt đầu di chuyển đi lên, lò xo xupap 3 từ từ giãn ra nhờ vào đĩa chặn lò xo 4 cùng với các móng hãm đẩy xupap tịnh tiến về vị trí ban đầu thực hiện quá trình đóng kín xupap Chu trình đóng mở được lặp đi lặp lại như vậy tuân theo chu kì làm việc của pha phân phối khí

Ưu điểm: giống loại xupap treo OHV, trục cam nằm trên nắp máy thuận tiện trong việc bảo dưỡng, sửa chữa, lắp ghép

Nhược điểm: dẫn động trục cam phức tạp hơn, nắp máy khó đúc

1.2.3 Hệ thống phân phối khí không trục cam (Camless): Gồm có loại

điện từ, điện–thủy lực và loại thủy lực Dưới đây trình bày loại điện từ EVA (Electro-magnetic Valve Actuation Systems)

Nam châm điện

Phần ứngChén chặn

Lò xo

Xupap

Lò xo giãn

Lò xo nén

345

6

Hình 1.3 Cấu tạo của hệ thống điều khiển xupap bằng điện từ EVA

Trục cam là một cơ cấu phức tạp, làm tăng trọng lượng động cơ và tiêu hao nhiều công suất do mất mát ma sát Do kết cấu vật lý nên một cam chỉ điều khiển chuyển động của một xupap với các thông số thời điểm và độ nâng hạn chế

do đó sẽ không tối ưu cho tất cả các chế độ hoạt động của động cơ Những tiến

bộ trong công nghệ điều khiển thay đổi thời gian và độ nâng xupap VVT trong những năm gần đây đã cải thiện được hiệu suất và hiệu quả động cơ tuy nhiên các hệ thống này vẫn còn phức tạp và chưa tối ưu Hệ thống phân phối khí không trục cam được phát minh đã mang lại bước đột phá mới trong động cơ đốt trong Với công nghệ này động cơ không cần sử dụng bướm ga đã làm giảm sự cản trên đường ống nạp và tổn thất do bơm, việc điều khiển lượng hòa khí mới vào trong xylanh bằng việc thay đổi thời gian và hành trình xupap

Cấu tạo cơ cấu chấp hành gồm nam châm điện (electromagnet) được đặt phía trên đỉnh xupap, miếng sắt từ đóng vai rò phần ứng được kết nối với đuôi xupap, các lò xo hoàn lực, chén chặn và xupap

Khi nam châm điện phía trên được kích hoạt sẽ tạo ra một lực từ trường hút miếng sắt phần ứng lên trên cùng làm cho xupap ở vị trí đóng

Khi từ tính do nam châm điện phía trên bị ngắt, miếng sắt phần ứng kết nối với đuôi xupap sẽ bị kéo xuống bởi lò xo Bộ chấp hành nam châm điện phía dưới sẽ duy trì xupap ở vị trí mở

Hình 1.4 Cấu trúc hệ thống 1-Tín hiệu từ các cảm biến 2- ECU 3- Bộ chấp hành điều khiển xupap hút

4-Xupap hút 5- Bộ chấp hành xupap xả 6- Xupap xả

Hệ thống sử dụng các nam châm điện 3 và 5 để đóng mở xupap 4 và 6 Tín hiệu nhập vào từ các cảm biến 1 thông qua mạch giao tiếp nhập/xuất như vị trí pittông, tốc độ động cơ, tố độ xe, nhiệt độ nước làm mát, áp suất khí nạp…ECU liên tục nhận tín hiệu từ các cảm biến sau đó tính toán thời gian và độ nâng xupap tối ưu để điều khiển bộ chấp hành nam châm điện Sự chính xác của tín hiệu đầu vào là rất quan trọng để động cơ hoạt động hiệu quả

Ưu điểm: giảm 20% lượng tiêu thụ nhiên liệu, 20% các khí thải ô nhiễm

và tăng 20% mômen xoắn ở tốc độ thấp, giảm ma sát do dễ bôi trơn và kết cấu đơn giản không còn các bộ phận truyền động, nắp máy được đơn giản hóa

Nhược điểm: tuy có rất nhiều ưu điểm nhưng động cơ với xupap điều khiển điện tử vẫn có những khiếm khuyết như khả năng xảy ra trục trặc lớn do lệ thuộc nhiều vào các thiết bị điện tử Nếu máy tính điện tử gặp sự cố hoặc hệ thống điện có trục trặc, rất có thể động cơ sẽ cho ra lượng khí thải độc hại lớn hoặc tệ hơn nếu xupap đóng mở không đúng thời điểm sẽ phá vỡ đỉnh pittông, hư hỏng động cơ

1.3 Ảnh hưởng của việc thay đổi pha phân phối khí tới hiệu quả động cơ (Công nghệ thay đổi thời điểm phối khí VVT-Variable Valve Timing)

Trước khi đi sâu nghiên cứu về sự thay đổi pha phân phối khí trên các hệ thống phân phối khí thông minh tới hiệu quả động cơ ta đi tìm hiểu ảnh hưởng của pha phân phối khí tới quá trình thải và nạp của động cơ bốn kỳ cổ điển

Theo lý thuyết đơn giản với 7200 góc quay trục khuỷu thì mỗi kỳ tương ứng với 1800 và xupap xả bắt đầu mở khi pittông ở điểm chết dưới đầu kỳ xả và đóng lại khi pittông tới điểm chết trên và lúc này xupap hút mở và khi pittông tới điểm chết dưới trong kỳ nạp thì đóng lại Tuy nhiên trên các động cơ đốt trong thực tế thì có sự thay đổi thời điểm mở và khoảng thời gian mở các xupap sao cho động

cơ hoạt động với hiệu quả cao nhất đồng thời khí thải phát ra ít gây ô nhiễm môi trường

Hình 1.5 Pha phân phối khí động cơ bốn kỳ không tăng áp

1

ϕ - góc mở sớm xupap nạp ϕ2- góc đóng trễ xupap nạp3

ϕ - góc mở sớm xupap xả ϕ4- góc đóng trễ xupap xả

s

ϕ - góc đánh lửa hoặc phun dầu sớm

1.3.1 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm mở xupap xả (Effects of Changes to Exhaust Valve Opening Timing – EVO)

Xupap thải bắt đầu mở sẽ làm cho áp suất cao trong xylanh trong quá trình đốt cháy được thoát ra ngoài qua hệ thống xả

Xupap thải mở sớm trước khi pittông tới điểm chết dưới (điểm b’ trên hình)

sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình thải bằng cách cho sản vật cháy tự thoát

ra ngoài nhờ chênh áp giữa xylanh và đường thải Với mục đích giảm tải trọng động cho xupap cần phải cho xupap mở và đóng đường thông một cách từ từ Chính vì vậy việc mở sớm xupap thải nhằm tạo ra giá trị “thời gian-tiết diện” đủ

để áp suất trong xylanh giảm tới mức yêu cầu khi pittông đi ngược từ điểm chết dưới lên điểm chết trên Khi đã mở sớm xupap thải vào thời điểm hợp lý sẽ làm giảm công tiêu hao cho việc đẩy khí thải ra ngoài

Nhưng nếu mở xupap thải quá sớm sẽ làm giảm công giãn nở trên đồ thị công qua đó làm giảm công suất động cơ

Hai yêu cầu trên mâu thuẫn với nhau Trên các động cơ đốt trong cổ điển thì pha phân phối khí được chọn cố định nên phải cân đối lợi ích giữa hai yếu tố trên Còn trên các động cơ có trang bị hệ thống phân phối khí thông minh thì hệ thống sẽ thay đổi thời điểm mở xupap thải sao cho động cơ đạt được hiệu suất cao nhất ở mọi tốc độ và tải động cợ

Trong chế độ tải nhỏ hay một phần tải động cơ sẽ đạt hiệu suất cao hơn nếu như thời điểm mở xupap thải càng gần ĐCD hơn càng tốt vì ở chế độ này áp lực khí cháy trong xylanh nhỏ hơn nên cũng cần ít thời gian hơn để đẩy khí cháy ra ngoài Ngược lại khi động cơ ở chế độ toàn tải thì cần mở xupap thải sớm tức trước khi pittông tới ĐCD vì cần có đủ thời gian để đẩy sạch khí cháy ra ngoài, tuy mất một ít công trên đồ thị p-v nhưng bù vào đó quá trình nạp trong chu kỳ

kế tiếp có lợi ích lớn hơn nên nhìn chung động cơ sẽ đạt được hiệu quả cao hơn

Hình 1.6 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm mở xupap xả

1.3.2 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm đóng xupap xả (Effects of Changes to Exhaust Valve Closing Timing – EVC)

Xupap thải bao giờ cũng đóng trễ sau khi pittông đã đi qua điểm chết trên nhằm đảm bảo cho sản vật cháy được thoát hết ra ngoài, mặt khác lợi dụng chênh

áp để sản vật cháy được thải tiếp giảm lượng khí sót còn lại trong xylanh Ngoài

Cải thiện mômen xoắn ở tốc độ cao

Cải thiện mômen xoắn ở tốc độ thấp và hiệu quả

ở tải nhỏ

ĐCT

ĐCDXupap xả

ra việc đóng muộn xupap thải còn nhằm sử dụng quán tính trên đường thải sinh

ra giảm áp có tính chu kỳ thấp hơn giá trị trung bình của pth tạo điều kiện để thải sạch hơn

Thời điểm đóng xupap thải có ảnh hưởng rất quan trọng đến việc khí thải còn lại trong xylanh trong kỳ hút tiếp theo Thời điểm đóng xupap thải là một thông số quan trọng trong việc điều khiển lưu hồi khí thải và góc trùng điệp của hai xupap

Khi ở chế độ đầy tải mong muốn cho lượng khí thải còn lại trong xylanh là

ít nhất để tối đa lượng hòa khí mới nạp vào trong xylanh trong kỳ hút kế tiếp Điều này đòi hỏi thời điểm đóng xupap thải phải càng gần ngay ĐCT Ngoài ra trong động cơ có hệ thống xả tích cực nghĩa là sử dụng sóng áp suất của dòng khí

xả xylanh khác thì thời điểm đóng xupap xả cũng ảnh hưởng tới sóng áp suất làm ảnh hưởng tới việc đẩy hay hút khí xả ra ngoài hoặc trở lại xylanh Sóng áp suất thay đổi theo tốc độ động cơ do đó nếu cố định thời điểm đóng xupap xả ở một tốc độ nào đó sẽ gây ảnh hưởng tới các chế độ hoạt động khác của động cơ

Khi động cơ hoạt động ở chế độ một phần tải thì thời điểm đóng muộn xupap thải có thể mang lại lợi ích lớn từ việc giữ lại một phần khí thải để hạn chế hòa khí mới nạp vào Khí thải được giữ lại do đó làm giảm sự hoạt động cần thiết của bớm ga để điều khiển lượng hòa khí vào buồng đốt và kết quả làm giảm tổn thất bơm trong kỳ hút tiếp theo Di chuyển thời điểm đóng trễ xupap thải sẽ làm tăng tuần hoàn khí thải tương ứng giảm phát thải khí thải làm động cơ thân thiện với môi trường

Giới hạn bao nhiêu khí thải còn lại trong xylanh là cần thiết để đặc tính sự cháy vẫn ổn định và không ảnh hưởng tới công suất động cơ Tuần hoàn khí thải làm giảm dụng tích xylanh của buồng đốt do lượng khí trơ chiếm chỗ do đó sẽ làm giảm công suất và gây ra đặc tính cháy xấu Vì vậy ở chế độ cầm chừng và tốc độ thấp không nên sử dụng việc lưu hồi để ổn định tốc độ cầm chừng, khi ở tốc độ cao cũng vậy để công suất và mômen động cơ phát ra đạt tối đa.Cải thiện hiệu quả động cơ

ở chế độ cầm chừng, toàn tải và tốc độ cao do giảm

EGR

Cải thiện hiệu quả động cơ

ở chế độ tốc độ, tải trung bình do làm tăng EGR

ĐCT

ĐCD

SauĐCTXupap xả

Hình 1.7 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm đóng xupap xả

1.3.3 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm mở xupap nạp (Effect of changes to Intake Valve Opening Timing – IVO)

Việc mở xupap nạp cho phép hòa khí vào xylanh từ ống góp hút (trong động cơ diesel hay động cơ phun xăng trực tiếp thì chỉ có không khí) Thời gian bắt đầu mở xupap nạp cần chọn sao cho khi áp suất trong xylanh (do giãn nở của khí sót) hạ thấp hơn áp suất môi chất trên đường nạp thì tiết diện lưu thông của xupap nạp đã đủ lớn để môi chất mới đi vào Do đó thường mở sớm xupap nạp trước ĐCT (BTDC) Thời điểm mở xupap nạp là thông số thứ hai xác định góc trùng điệp của xupap nạp và xupap xả (cả hai xupap đều mở) (ϕ ϕ1+ 4) đó đó thời điểm đóng xupap xả và mở xupap nạp thay đổi sẽ làm thay đổi thời điểm phối khí, thay đổi lượng luân hồi khí thải

Có thể giảm EGR phụ thuộc vào thời điểm đóng xupap xả

Có thể tăng EGR phụ thuộc vào thời điểm đóng xupap xả

ĐCT

ĐCD

TrướcĐCTXupap nạp

Hình 1.8 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm mở xupap nạp

1.3.4 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm đóng xupap nạp (Effect of changes to Intake Valve Closing Timing – IVC)

Hiệu quả thể tích hòa khí nạp vào phụ thuộc vào thời điểm đóng xupap nạp theo từng tốc độ và tải động cơ Thời điểm đóng xupap nạp quyết định bao nhiêu hòa khí sẽ được nạp vào xylanh do đó ảnh hưởng tới tính kinh tế và hiệu quả động cơ

Để đạt được mômen xoắn tối đa xupap nạp đóng muộn sau khi pittông đã vượt qua điểm chết dưới nhằm nạp thêm môi chất mới vì ở điểm chết dưới tiết diện lưu thông qua xupap còn lớn, áp suất trong xylanh pa còn thấp hơn áp suất trên đường ống nạp 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 điểm chết dưới cho tới khi áp suất trong xylanh trở nên lớn hơn pk Mặt khác còn lợi dụng quán tính của dòng khí nạp tốc độ cao để nạp thêm môi chất giúp tối đa lượng hòa khí nạp vào để công suất và mômen động cơ phát ra tối đa

Việc đóng sớm xupap nạp sẽ làm giảm hòa khí nạp vào xylanh giúp tiết kiệm nhiên liệu ở chế độ tải nhỏ Việc đóng sớm xupap nạp ở chế độ tải nhỏ còn giúp hạn chế hòa khí quay trở lại ống góp hút và hạn chế tổn thất bơm

Hình 1.9 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm đóng xupap nạp

Đóng trễ sau ĐCD giúp tăng mômen xoắn

tối đa

Đóng gần ĐCD làm giảm hòa khí nạp giúp tiết kiệm nhiên liệu ở chế độ tải nhỏ

ĐCT

ĐCD

SauĐCDXupap nạp

Thời gian mở sớm và đóng muộn của các xupap theo góc quay trục khuỷu tính bằng độ tạo thành pha phân phối khí của động cơ Động cơ vận tải hoạt động

ở các tốc độ khác nhau mà mỗi tốc độ lại tương ứng với một pha phân phối khí tối ưu đảm bảo cho hệ số nạp đạt cực đại Nhưng trên thực tế các động cơ cổ điển không thể thay đổi được điều này Pha phân phối khí trong mỗi động cơ được quyết đinh sau khi thử nghiệm và lấy ở tốc độ xe hay hoạt động

Loại động

cơ

Tốc độ động cơ

trùng

Mở trước ĐCT

Đóng sau ĐCD

Mở trước ĐCD

Đóng sau ĐCTĐộng cơ xăng ô tô

Pha phân phối khí ở một số động cơ cổ điển

Trên các động cơ hiện đại có trang bị hệ thống phân phối khí thông minh thì pha phân phối khí có thể điều chỉnh trong phạm vi nhất định sao cho động cơ hoạt động hiệu quả ở mọi chế độ

3

1 và 2Đường mômen động cơ

Ở chế độ cầm chừng (phạm vi số 1 trên biểu đồ) công sinh ra chỉ cần để thắng các lực ma sát nên tốc độ động cơ thấp và khi có sự tăng tải bất ngờ thì động cơ dễ bị chết máy Chế độ này yêu cầu tỉ lệ hòa khí nạp vào xylanh động cơ đậm hơn và việc thải sạch khí thải để hệ số khí sót thấp dẫn tới môi chất công tác được tốt hơn Lúc này cần pha phân phối khí trễ hơn tức điều chỉnh góc trùng điệp (ϕ ϕ1+ 4) nhỏ lại để khí cháy được thải sạch ra ngoài, giảm khí xả chạy ngược lại phía nạp Điều này làm ổn định chế độ không tải.

Hình 1.11 Chế độ cầm chừng

Khi ở chế độ tải nhẹ (phạm vi số 2 trên biểu đồ) nghĩa là áp suất trên ống góp hút rất thấp nên có xu hướng hút khí xả trên ống góp xả lại nên thời điểm phối khí của trục cam nạp cũng cần được làm trễ lại và độ trùng điệp xupap (

ĐCT

ĐCD

Góc trùng điệp nhỏ

NạpXả

ĐCT

ĐCD

Góc trùng điệp nhỏ nhất

khí thải (EGR) Điều này cải thiện ô nhiễm khí xả và tính tiết kiệm nhiên liệu, hiệu suất làm việc của động cơ tăng lên.

Hình 1.13 Chế độ tải trung bình

Trong phạm vi tốc độ thấp tới trung bình với tải nặng (phạm vi số 4 trên biểu đồ) do lúc này tốc độ động cơ thấp và tải nặng nên áp suất trên đường ống nạp lớn hơn xupap nạp cần được đóng sớm lại để hòa khí nạp vào đảm bảo vừa

đủ cải thiện hiệu suất thể tích nạp Điều này làm cải thiện mômen xoắn ở tốc độ thấp tới trung bình

Hình 1.14 Tốc độ thấp tới trung bình với tải nặng

Trong phạm vi tốc độ cao với tải cao (phạm vi số 5 trên biểu đồ) thì cần làm chậm thời điểm đóng xupap nạp để lợi dụng quán tính của dòng khí nạp tốc

độ cao làm cải thiện hiệu suất thể tích nạp Điều này cải thiện công suất đầu ra

NạpXả

ĐCT

ĐCD

Góc trùng điệp lớn

NạpXả

ĐCT

ĐCD

Đóng sớm xupap nạp

NạpXả

ĐCT

ĐCDĐóng trễ xupap nạp

ĐCT

ĐCD

Giảm góc trùng điệp

Hình 1.15 Tốc độ cao với tải cao

Khi nhiệt độ động cơ thấp giảm góc trùng điệp xupap để ngăn chặn sự cháy xấu và ổn định tốc độ không tải nhanh

Hình 1.16 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

Hình 1.17 Khi khởi động hoặc khi động cơ ngừng

NạpXả

ĐCT

ĐCD

Góc trùng điệp nhỏ nhất

1.4 Ảnh hưởng của việc thay đổi độ nâng xupap tới hiệu quả động cơ (Công nghệ thay đổi độ nâng xupap VVA-Variable Valve Actuation)

Thay đổi độ nâng xupap ảnh hưởng tới tiết diện lưu thông của dòng khí nạp qua họng xupap Ngoài ra nó còn làm thay đổi trị số “thời gian – tiết diện” A của đường thông đi qua xupap nạp cũng như xupap xả nhờ đó làm giảm tốc độ dòng chảy và giảm cản của các xupap, kết quả làm hệ số nạp tăng

( 2 )

1

d m 6

ϕ

= ∫

Trong đó :

n : ( vòng/phút ) tốc độ động cơ

f : ( m2 ) tiết diện lưu thông qua xupap

dϕ ( độ ) vi lượng góc quay trục khuỷu

Biểu thức trên cho ta thấy khi tốc độ động cơ càng cao thì trị số “thời gian-tiết diện” càng giảm Giả sử khi động cơ hoạt động ở tốc độ 6000 vòng/phút thì các xupap sẽ phải mở và đóng 3000 lần mỗi phút tức 50 lần mỗi giây Tốc độ

nhanh như vậy sẽ làm cho trị số “thời gian–tiết diện” giảm đi Nhưng yêu cầu khi tốc độ động cơ cao thì tiết diện lưu thông của xupap phải lớn để hòa khí nạp vào xylanh được nhiều hơn để động cơ phát ra công suất và mômen lớn Điều này chỉ

có thể đạt được khi thời điểm phối khí phù hợp và nhất là độ nâng xupap phải thay đổi để phù hợp với các chế độ hoạt động của động cơ Mà độ nâng xupap lại phụ thuộc vào dạng hình học của các vấu cam trên trục cam Do đó yêu cầu động

cơ phải thay đổi được biên dạng cam theo từng tốc độ khác nhau

Hình 1.18 là trị số “thời gian-tiết diện” khi động cơ hoạt động ở 7500 vòng/phút (hai đường gần trục tung) và khi động cơ hoạt động ở 1000 vòng/phút (hai đường cong phía ngoài) Độ nâng xupap là 10 mm, góc trùng điệp là 520 Ta thấy ở tốc độ 7500 vòng/phút thì trị số “thời gian-tiết diện” giảm đi rõ rệt Ở tốc

độ 1000 vòng/phút và với góc trùng điệp lớn 520 thì phần trị số “thời gian-tiết diện” của góc trùng điệp cũng lớn gây ảnh hưởng xấu tới quá trình nạp Để giảm thiểu điều này các động cơ trang bị hệ thống phối khí thông minh sẽ điều chỉnh

để khi tốc độ thấp, tải nhẹ thì góc trùng điệp nhỏ Hình 1.19 điều chỉnh góc trùng điệp 180

Hình 1.18 Trị số “thời gian- tiết diện” với góc trùng điệp 52 0

Hình 1.19 Trị số “thời gian- tiết diện” với góc trùng điệp 18 0

Hệ thống VVT giải quyết vấn đề về góc trùng điệp tại điểm chết trên do

đó nó cũng làm thay đổi thời điểm của các xupap tại điểm chết dưới Khi ở tốc

độ thấp VVT điều chỉnh góc trùng điệp nhỏ tức mở muộn xupap hút và đóng sớm xupap xả do đó tại điểm chết dưới nó sẽ giữ mở xupap nạp nhiều hơn cần thiết và mở xupap xả sớm hơn cần thiết

Hình 1.20 Trị số “thời gian- tiết diện” với độ nâng xupap 1,3 mm ở 1000

vòng/phút

và 10mm ở 7500 vòng/phút

Hình 1.21 Trị số “thời gian- tiết diện” với độ nâng xupap

10 mm và 0,3 mm ở tốc độ 1000v/p

Hình 1.20 so sánh trị số “thời gian-tiết diện” ở hai chế độ tại số vòng quay

1000 vòng/phút, độ nâng xupap 1,3 mm và tại số vòng quay 7500 vòng/phút, độ nâng xupap 10 mm Khi tốc độ và tải động cơ thay đổi thì ngoài việc thay đổi thời điểm phối khí thì cần phải điều khiển độ nâng xupap hợp lý sao cho hòa khí nạp vào xylanh đủ để phù hợp với các điều kiện hoạt động

Hình 1.21 so sánh trị số “thời gian-tiết diện” ở tốc độ 1000 vòng/phút với

độ nâng xupap là 0,3 mm và 10 mm Tại cùng số vòng quay và cùng góc trùng điệp nhưng độ nâng xupap thay đổi thì ngoài việc trị số “thời gian-tiết diện” chính thay đổi thì phần trị số “thời gian- tiết diện” của góc trùng điệp cũng giảm

Do đó việc thay đổi độ nâng xupap tại tốc độ thấp cũng góp phần như việc điều chình thời điểm phân phối khí để giảm việc khí xả quay trở lại đường nạp góp phần ổn định tốc độ động cơ

Hình 1.22 Trị số “thời gian- tiết diện” khi thay đổi tốc độ động cơ

và độ nâng xupap

Hình 1.22 biểu diễn chế độ toàn tải khi độ nâng xupap thay đổi từ 0,6 mm

ở 500 vòng/phút và tăng dần tại 900, 1800, 3700 vòng/phút và đạt 10 mm tại

7500 vòng/phút Nếu độ nâng xupap không thay đổi thì ta có đồ thị như hình 1.23 bên dưới

Hình 1.23 Trị số “thời gian- tiết diện” khi thay đổi tốc độ động cơ

và độ nâng xupap cố định 10 mm

Hình 1.24 Trị số “thời gian- tiết diện” khi tốc độ động cơ 4000 vòng/phút

và độ nâng xupap thay đổi từ 5/5, 4/5, 3/5, 2/5, 1/5 tải

Hình 1.25 Trị số “thời gian- tiết diện” khi tốc độ động cơ 1500 vòng/phút

và độ nâng xupap thay đổi từ 5/5, 4/5, 3/5, 2/5, 1/5 tải

Ngoài ra khi độ nâng xupap còn tương đối nhỏ do độ nhớt của môi chất làm cho dòng chảy men sát các mặt côn của tán và đế xupap điền đầy khe hở đi vào xylanh (hình a) Khi tăng dần độ nâng xupap mới đầu dòng chảy tách khỏi mặt côn của tán tạo nên dòng phun một phía (hình b) tiếp theo dòng chảy tách rời mặt côn của đế xupap tạo tia phun tự do (hình c) lúc đó thấy rõ toàn bộ khe hở của tiết diện lưu thông qua xupap không được lợi dụng hết Đến khi xupap mở lớn hơn dòng chảy sẽ chịu sự can thiệp của thành xylanh (hình d) Dựa vào các kết quả trên người ta tìm ra các phương án nhằm tận dụng hết tiết diện lưu thông qua xupap và giảm cản cho khu vự này

Dòng chảy qua xupap

Khi thay đổi độ nâng của xupap tức ta thay đổi được h và h’ làm cho tiết diện lưu thông qua xupap f được lớn hơn

Tiết diện lưu thông qua xupap

mới có thể đạt được tiết diện lưu thông bằng tiết diện họng đế xupap

1.5 Nguyên lý điều chỉnh trên các hệ thống phân phối khí thông minh

Do động cơ trên ô tô hoạt động luôn thay đổi tốc độ mà mỗi tốc độ lại tương ứng với các thông số thời điểm, độ nâng và thời gian mở của các xupap rất khác nhau Đối với động cơ cổ điển thì pha phân phối khí thực tế được chọn tối

ưu ở một số vòng quay nào đó phụ thuộc vào điều kiên sử dụng động cơ và độ nâng của xupap là không thay đổi được Nếu đặt điều kiện hoạt động tối ưu của các xupap ở tốc độ thấp thì quá trình đốt nhiên liệu lại không hiệu quả khi động

cơ hoạt động ở tốc độ cao, khiến công suất chung của động cơ bị giới hạn Ngược lại, nếu đặt điều kiện tối ưu ở tốc độ cao thì động cơ lại hoạt động không

tốt ở tốc độ thấp Từ những hạn chế đó nên hệ thống phân phối khí hiện đại ra đời với ý tưởng là tìm cách tác động để thời điểm mở xupap, độ mở, khoảng thời gian mở và độ nâng xupap biến thiên theo từng tốc độ động cơ khác nhau sao cho chúng mở đúng lúc, khoảng mở và thời gian mở đủ để nạp đầy hòa khí vào buồng đốt và xả sạch khí cháy ra ngoài Dựa vào nguyên tắc đó nhưng mỗi hãng

có những cơ cấu thay đổi pha phân phối khí và độ nâng xupap mang tên công nghệ khác nhau và cải tiến qua từng giai đoạn

TOYOTA phát minh ra hệ thống VVT-i có thể thay đổi được pha phân phối khí liên tục tùy thuộc vào tốc độ động cơ khác nhau do ECU động cơ điều khiển, hệ thống sẽ làm trễ, sớm hay giữ nguyên thời điểm phối khí so với thời điểm chuẩn tùy thuộc vào các thông số và chế độ hoạt động của động cơ Nhưng

hệ thống VVT-i chưa thay đổi được độ nâng của xupap Khi mà động cơ cần momem xoắn và công suất cao thì yêu cầu cần được nạp đầy đủ hòa khí (đối với động cơ xăng) và không khí (đối với động cơ diesel), ngoài việc thay đổi pha phân phối khí thì yêu cầu độ nâng xupap với hành trình dài hơn để trị số “thời gian–tiết diện” lớn để dòng khí lưu thông dễ dàng và nạp được nhiều hơn VVTL-i ra đời đã đáp ứng được các yêu cầu đặt ra Bằng việc sử dụng hai loại vấu cam tốc độ thấp và trung bình và vấu cam tốc độ cao trên cùng một trục cam

sẽ điều khiển được hành trình xupap theo tốc độ và tải trọng động cơ

Hãng HONDA ban đầu phát triển công nghệ VTEC thay đổi thời gian và

độ nâng xupap cũng bằng việc sử dụng hai loại vấu cam có biên dạng khác nhau trên một trục cam, khi chuyển đổi giữa các vấu cam thì độ nâng xupap thay đổi

rõ rệt nhưng pha phân phối khí thì thay đổi không đáng kể và không biến thiên liên tục do đó mang lai hiệu quả chưa cao Phải đến khi hệ thống i-VTEC được phát minh có thêm cơ cấu thay đổi thời gian phân phối khí VTC biến thiên liên tục theo các chế độ hoạt động của động cơ thì sự tiết kiệm nhiên liệu và giảm độc hại khí thải được nâng cao Vì vậy công nghệ VVTL-i và i-VTEC đang mang những đặc trưng khá giống nhau

Mitsubishi phát minh ra hệ thống MIVEC có nguyên lý hoạt động gần giống với i-VTEC Cam tốc độ thấp hoạt động khi tốc độ thấp và cam tốc độ cao hoạt động khi tốc độ động cơ cao, cùng với cơ cấu thay đổi thời điểm phối khí

làm cho động cơ trang bị hệ thống MIVEC đạt được hiệu suất cao.

BMW có hệ thống VANOS thay đổi thời điểm phân phối khí và hệ thống VALVETRONIC thay đổi thời điểm và độ nâng của xupap VALVETRONIC là một cải tiến quan trọng giúp động cơ hoạt động hiệu quả, nó có thể thay đổi độ nâng xupap một cách tuyến tính tử 0 – 9,7 mm Động cơ có thể không cần sử dụng bướm ga do đó giảm sức cản trên đường nạp và tổn thất do bơm giúp tăng công suất, việc điều chỉnh lượng hòa khí vào trong xylanh là do độ nâng của xupap Khi tốc độ thấp xupap mở với hành trình nhỏ để lượng hòa khí vào trong xylanh ít, khi yêu cầu tốc độ động cơ cao thì xupap mở với hành trình lớn để nạp lượng hòa khí nhiều hơn Các động cơ BMW hiện đại trang bị cả Double VANOS và VALVETRONIC

Cơ cấu nạp nhiên liệu chủ động VVA (Variable Valve Actuation) của Fiat rất giống với hệ thống Valvetronic của BMW VVA điều phối hoạt động của các xupap nạp và giúp động cơ vận hành không cần sử dụng bướm ga Nghiên cứu của Fiat khác hệ thống Valvetronic của BMW ở chỗ độ nâng xupap được thay đổi bằng thủy lực chứ không phải bằng điện

Alfa Romeo - CVVT (Double Continuous Variable Valve Timing) hệ thống biến thiên liên tục thời điểm mở xupap sử dụng trên cả trục cam nạp và cam xả

Chrysler- Dual VVT (Dual Variable Valve Timing)

Daihatsu- DVVT (Dynamic Variable Valve Timing)

Ford -VVT (Variable Valve Timing.)

General Motors - VVT (Variable Valve Timing) và DCVCP (Double Continuous Variable Cam Phasing)

Kia - CVVT (Continuous Variable Valve Timing)

Hyundai – CVVT (Continuous Variable Valve Timing)

Mazda- S-VT

MG Rover - VVC (Variable Valve Control)

Nissan- CVTCS (Continuous Variable Valve Timing Control System) VCT (Varies the rotation of the cam(s) only, does not alter lift or duration of the

valves) VVL (Varies timing, duration, and lift of the intake and exhaust valves)

sử dụng hai vấu cam khác nhau

Porsche - VarioCam Plus

Volvo - CVVT (Continuous Variable Valve Timing)

Wolkswagen Group - tương tự VarioCam

Chương 2: HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÍ THÔNG MINH TRÊN XE

TOYOTA

2.1 Giới thiệu

Hệ thống VVT (Variable Valve Timing) 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

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)

Hình 2.1 Cơ cấu VVT cổ điển.

Hệ thống VVT ban đầu hoạt động một cách tương đối đơn giản: tại số vòng quay cố định (4400 vòng/phút trên động cơ 20 xupap 4AGE) 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 pittông nhỏ, áp suất dầu này sẽ đẩy pittông ra phía sau, làm cho phần phía ngoài của pully điều chỉnh đúng với phần bên trong, vì then hình trôn ốc nên điều khiển hướng đi của pittông 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 góc quay trục khuỷu (sớm hơn 150 so với bản thân pully)

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

Hệ thống VVT-i thiết kế cùng hệ thống phun xăng của hãng Toyota hoạt động theo nguyên lý điện - thủy lực Cơ cấu này tối ưu hóa 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

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 xupap xả và xupap 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

xe

Estima

Hình 2.2 Cơ cấu VVT-i của hãng Toyota.

Thông thường, thời điểm phối khí của động cơ đều được cố định, nhưng

hệ thống VVT-i đã sử dụng áp suất thủy lực để xoay trục cam nạp và làm 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 xupap 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 xupap, 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 ETCS-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 2.3 Các cảm biến gửi về ECU điều khiển VVT-i

Trong quá trình hoạt động, các cảm biến vị trí trục khuỷu, vị trí bướm 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 cảm biến vị trí VVT và vị trí trục khuỷu thì cung cấp các thông tin về tình trạng phối khí thực tế 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 góc đóng mở của các xupap

Áp lực dầu sẽ tác động thay đổi vị trí bộ điều khiển phối khí, mở các xupap vào thời điểm thích hợp Như vậy, thay cho hệ thống cam kiểu cũ với thời điểm mở xupap không đổi, VVT-i đã điều chỉnh vô cấp hoạt động của các góc phối phí xupap

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

Ngoài ra, còn một cảm biến đo nồng độ oxy đặt ở ống góp xả cho biết tỷ

lệ % nhiên liệu được đốt cháy 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 môi trường

2.2 Công nghệ VVT-i (Variable Valve Timing with intelligence)

2.2.1 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

Hình 2.4 Cấu tạo của bộ điều khiển 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

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 2.5 Cấu tạo van điều khiển dầu phối khí trục cam

Nguyên lý hoạt động của van điều phối :

Van điều phối trục cam hoạt động theo sự điều khiển (tỷ lệ hiệu dụng, điều xung PWM) 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 xupap nạp Khi động cơ ngừng hoạt động, thời điểm phối khí xupap 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 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 van 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 nước 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

2.2.2 Phương pháp thay đổi thời điểm phối khí

Hệ thống 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

a Làm sớm thời điểm phối khí :

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 2.6 Van điều phối dầu ở vị trí phía làm sớm.

b 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

Hình 2.7 Van điều phối dầu ở vị trí phía làm muộn

c Giữ ổn định :

ECU động cơ tính toán góc phối khí chuẩn theo tình trạng vận hành Sau khi đặt thời điểm phối khí chuẩn van điều khiển dầu phối khí trục cam duy trì đường dầu đóng như được chỉ ra trên hình vẽ để giữ thời điểm phối khí hiện tại

Hình 2.8 Van điều phối dầu ở vị trí ổn định

• Thời điểm phối khí được điều khiển như sau :

 Khi nhiệt độ thấp, khi tốc độ thấp ở tải nhẹ, hay khi tải nhẹ :

Thời điểm phối khí của trục cam nạp được làm trễ lại và độ trùng điệp xupap giảm đi để giảm khí xả chạy ngược lại phía đường nạp Điều này làm ổn định chế

độ không tải và cải thiện tính kinh tế nhiên liệu và tính khởi động

 Khi tải trung bình, hay khi tốc độ thấp và trung bình ở tải nặng :

Thời điểm phối khí được làm sớm lên và độ trùng điệp xupap tăng lên để tăng lượng khí xả luân hồi nội bộ và giảm tổn thất khí động do đó cải thiện tính kinh tế nhiên liệu và giảm nồng độ khí xả độc hại Ngoài ra, cùng lúc đó thời điểm đóng xupap nạp được đẩy sớm lên để giảm hiện tượng khí hỗn hợp quay ngược lại đường nạp và cải thiện hiệu quả nạp

 Khi tốc độ cao và tải nặng :

Thời điểm phối khí cũng sớm lên như trường hợp trên nhưng ở mức cao hơn Thời điểm phối khí xupap nạp thay đổi thực tế theo đúng thời điểm tính toán bằng cảm biến vị trí trục cam và được điều khiển bằng ECU

2.3 Công nghệ VVTL-i

2.3.1 Mô tả

Hệ thống VVTL-i dựa trên hệ thống VVT-i và áp dụng một cơ cấu chuyển đổi vấu cam để thay đổi hành trình của xupap nạp và xả Điều này cho phép đạt được công suất cao mà không ảnh hưởng đến tính kinh tế của nhiên liệu hay ô nhiễm khí xả

Cấu tạo và hoạt động của hệ thống VVTL-i về cơ bản giống như hệ thống VVT-i Việc chuyển đổi giữa hai vấu cam có biên dạng khác nhau dẫn đến làm thay đổi hành trình của xupap

Trong cơ cấu chuyển vấu cam, ECU động cơ điều khiển chuyển đổi giữa 2 vấu cam nhờ van điều khiển dầu VVTL dựa trên các tín hiệu từ cảm biến nhiệt

độ nước làm mát và cảm biến vị trí trục khuỷu

Đến cơ cấu chuyển vấu cam

Xả Áp suất dầu Ti van

Hình 2.9 Hệ thống VVTL-i

2.3.2 Cấu tạo

Các bộ phận cấu thành hệ thống VVTL-i gần giống như những bộ phận của hệ thống VVT-i Đó là van điều khiển dầu cho VVTL, các trục cam và cò mổ