cải tiến hệ thống nạp trên động cơ đốt trong

cải tiến hệ thống nạp trên động cơ đốt trong cải tiến hệ thống nạp trên động cơ đốt trong tăng áp, tvis, acis, etcsi, vvti, cải tiến hệ thống nạp trên động cơ đốt trong cải tiến hệ thống nạp trên động cơ đốt trong tăng áp, tvis, acis, etcsi, vvti,cải tiến hệ thống nạp trên động cơ đốt trong cải tiến hệ thống nạp trên động cơ đốt trong tăng áp, tvis, acis, etcsi, vvti

Khoá học: 2011 - 2015

Ngành: Công nghệ và kỹ thuật ô tô

GVHD: TS LÝ VĨNH ĐẠT

T.p Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2015

BỘ MÔN ĐỘNG CƠ - *** -

- Nghiên cứu các cải tiến hệ thống nạp trên động cơ

- Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các phương pháp cải tiến

- Phân tích các ưu và nhược điểm của các hệ thống cải tiến

II TÀI LIỆU THAM KHẢO:

- Các bài báo cáo khoa học, bài viết của các nhà nghiên cứu

- Các trang web về kỹ thuật ô tô

III TRÌNH BÀY:

- 01 đĩa CD

- 01 tập thuyết minh

- Powerpoint báo cáo

IV THỜI GIAN THỰC HIỆN:

-

-

-

-

TP.HCM, Ngày … Tháng …… Năm 2015

Giáo viên hướng dẫn

-

-

-

-

TP.HCM, Ngày … Tháng …… Năm 2015

Giáo viên phản biện

Hiện nay, ô tô đóng vai trò quan trọng đối với sự phát triển của mỗi quốc gia Nógiải quyết hàng loạt các nhu cầu về vận chuyển con người cũng như hàng hóa đang diễn

ra liên tục Xã hội càng phát triển nhu cầu về chất lượng ô tô của con người càng tănglên Ô tô được yêu cầu có chất lượng cao hơn, công suất cao hơn, độ an toàn cao hơn…Tuy nhiên gắn với yêu cầu trên là các hệ quả xấu mang theo như ô nhiễm môi trường,can kiệt các nguồn nguyên nhiên liệu

Để giải quyết các hệ quả nêu trên hàng loạt các giải pháp được các kỹ sư, nhà thiết

kế nghiên cứu và ứng dụng trên ô tô Hãng Volvo Truck chế tạo và sử dụng hệ thốngphin lọc (CRT) là bộ lọc khí thải lắp trong ống bô xả của động cơ, hãng Bosch chế tạo ra

bộ lọc muội than bằng cách tăng nhiệt độ của các hạt muội than đến khi nó tự bốc cháythành các chất ích độc hại hơn, … Các biện pháp trên cải thiện được chất lượng khí thải

ra nhưng lại tạo ra áp lực cản trở trong đường ống xả làm giảm công suất và hiệu suấtlàm việc của động cơ

Do đó, các hãng xe như TOYOTA, HONDA, BMW, NISSAN, … đã phát triểncông nghệ mới cải tiến cho hệ thống nạp gồm hệ thống điều khiển xú páp biến thiên, xúpáp điện từ, hay các hệ thống thay đổi đường đi, chiều dài hiệu dụng dòng khí nạp, tăng

áp khí nạp, turbo tăng áp Các công nghệ này không những giảm thiểu các chất độc hạithải ra môi trường như CO, HC, NOx, … mà còn làm tăng công suất và hiệu suất làmviệc của động cơ

Cùng với sự hội nhập với nền kinh tế thế giới, với chủ trương công nghiệp hóa hiệnđại hóa, ngành công nghiệp ô tô nước ta đang phát triển mạnh và sẽ trở thành ngành mũinhọn trong những năm tới Việc sở hữu ô tô để phục vụ cho nhu cầu vận chuyển khôngcòn là quá xa vời với người Việt Do đó, số lượng ô tô của nước ta ngày càng tăng,ngành công nghiệp ô tô phát triển nhanh hơn Các dòng xe hiện nay hầu hết đều đượctrang bị các công nghệ tiên tiến, trong đó công nghệ cải tiến hệ thống nạp là phần khôngthể thiếu Nhưng một số hệ thống chưa được biệt nhiều ở nước ta, gây khó khăn cho việcbảo dưỡng và sửa chữa ô tô

Vì vậy đề tài “Chuyên đề về cải tiến hên thống nạp trên động cơ” sẽ giúp cho các

kỹ sư tiếp cận được với công nghệ mới để thuận tiện trong việc bảo dưỡng và sửa chữa ô

tô trong nước mà không cần phải phụ thuộc vào các chuyên gia nước ngoài Đồng thờiqua đề tài này cũng xây dựng một cơ sở lý thuyết để tạo điều kiện cho việc nghiên cứu

và phát triển công nghệ sau này ở trong nước

Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, chúng em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ,đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô, gia đình và bạn bè Em xin gửi lời cảm

ơn chân thành đến TS LÝ VĨNH ĐẠT, giảng viên trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật T.p

Hồ Chí Minh, người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo chúng em trong suốt quá trình làm

đồ án

Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giảng viên trong trường ĐH Sư Phạm

Kỹ Thuật T.p Hồ Chí Minh nói chung, các thầy cô trong khoa Cơ Khí Động Lực nóiriêng đã dạy dỗ cho em kiến thức về các môn đại cương cũng như các môn chuyênngành, giúp em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ em trongsuốt quá trình học tập

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều kiện,quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đồ án tốt

nghiệp

Tuy nhiên do kiến thức, khả năng còn hạn chế nên không thể tránh khỏi nhữngthiếu sót, vì vậy chúng em rất mong nhận được sự cảm thông cũng như những ý kiếnđóng góp cho bản đồ án tốt nghiệp này Xin chân thành cảm ơn!

T.p Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2015

Sinh viên thực hiện

Huỳnh Đoàn Đăng Khoa Nguyễn Ngọc Thạch

CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ 3

1.3 Phạm vi nghiên cứu 3

1.4 Phương pháp nghiên cứu 3

1.5 Nội dung đề tài 3

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN XÚ PÁP BIẾN THIÊN VVT 4

2.1 Vai trò của điều khiển xúp páp biến thiên đối với động cơ 4

2.1.1 Vai trò của thay đổi thời điểm đóng mở xú páp 4

2.1.2 Vai trò của việc thay đổi độ nâng của xú páp 5

2.2 Khái quát về hệ thống điều khiển xú páp biến thiên VVT-i: 6

2.3 Toyota với thời điểm xú páp thay đổi thông minh (VVT-i) 8

2.3.1 Khái quát chung 8

2.3.2 Cấu tạo 11

2.3.3 Nguyên lý hoạt động 12

2.3.4 Ưu nhược điểm 13

2.3.5 Các phiên bản cải tiến 14

a VVTL-i 14

b Dual VVT-i 17

c Các cải tiến mới nhất của VVT-i 18

2.4 VTEC của Honda 19

2.4.1 Cấu tạo 19

2.4.2 Hoạt động 20

2.4.3 Ưu nhược điểm 25

2.4.4 Các cải tiến khác 25

2.5 MIVEC của Mitsubishi 26

2.5.1 Khái quát 26

2.5.4 Ưu và nhược điểm 31

2.6 VANOS của BMW 31

2.6.1 Cấu tạo 31

2.6.2 Nguyên lý hoạt đông 34

2.6.3 Ưu và nhược điểm 36

2.7 Valvetronic của BMW 36

2.7.1 Cấu tạo 36

2.7.2 Hoạt động 38

2.7.3 Ưu và nhược điểm 40

2.8 Hệ thống MultiAir của Fiat 41

2.8.1 Cấu tạo 41

2.8.2 Hoạt động 42

2.8.3 Ưu nhược điểm 47

2.9 Xú páp điện từ 47

2.9.1 Giới thiệu 47

2.9.2 Phân loại 48

a Cơ cấu EMVA dùng bộ chấp hành solenoid 48

b Cơ cấu EMVA dùng bộ chấp hành nam châm vĩnh cửu 50

2.9.3 So sánh EMVA solenoid và EMVA nam châm vĩnh cửu 51

2.9.4 Ưu và nhược điểm 52

Chương 3: HỆ THỐNG TĂNG ÁP 53

3.1 Lịch sử ra đời hệ thống tăng áp 53

3.2 Tăng áp là biện pháp tốt nhất tăng công suất động cơ 53

3.3 Nhiệm vụ, yêu cầu, phân loại hệ thống tăng áp 56

3.3.1 Nhiệm vụ 56

3.3.2 Yêu cầu 56

3.3.3 Phân loại 56

3.4 Bộ tăng áp (Supercharger) 56

a Giới thiệu 56

b Phân loại 57

3.4.2 Bộ tăng áp kiểu bơm Roots 57

a Cấu tạo 57

b Nguyên lý hoạt động 59

3.4.3 Bộ tăng áp kiểu ly tâm 59

a Cấu tạo 59

b Nguyên lý hoạt động 60

3.4.4 Bộ tăng áp kiểu trục vít 61

b Nguyên lý hoạt động 62

3.4.5 Ưu và nhược điểm 62

a Ưu điểm 62

b Nhược điểm 62

3.5 Bộ turbo tăng áp 63

3.5.1 Giới thiệu 63

3.5.2 Cấu tạo 64

a Bánh tuabin và bánh nén khí 64

b Khoang trung tâm 65

c Ổ đỡ trục 65

3.5.3 Nguyên lý hoạt động 68

3.5.4 Các biện pháp cải thiện hoạt động của hệ thống turbo tăng áp 72

3.5.5 Ưu và nhược điểm 73

a Ưu điểm 73

b Nhược điểm 74

3.6 Turbo kép (Twin-turbo hay Bi-turbo) 74

3.6.1 Giới thiệu 74

3.6.2 Cấu tạo 74

3.6.3 Ưu và nhược điểm 75

3.7 Turbo điều khiển cánh (VGT) 76

3.7.1 Cấu tạo 77

3.7.2 Nguyên lý hoạt động 77

3.7.3 Ưu và nhược điểm 79

a Ưu điểm 79

b Nhược điểm 79

3.8 Hybrid Turbocharger 79

3.8.1 Giới thiệu 79

3.8.2 Cấu tạo 80

a Tuabin phát điện .80

b Bộ nén khí cao áp chạy bằng điện 83

3.8.3 Nguyên lý hoạt động 83

a Khi xe bắt đầu tăng tốc .83

b Khi xe chạy ở tốc độ ổn định 84

3.8.4 Ưu điểm 85

3.8.5 Thực nghiệm so sánh giữa turbo điều khiển cánh và Hybrid Turbocharger 85

CHƯƠNG 4: CÁC BIỆN PHÁP CẢI TIẾN KHÁC TRÊN HỆ THỐNG NẠP 87

4.1 Khái quát chung 87

4.2 Hệ thống T-VIS 87

4.2.1 Giới thiệu 87

4.2.2 Cấu tạo 88

4.2.3 Hoạt động 89

4.2.4 Ưu nhược điểm 91

4.3 Hệ thống ACIS 91

4.3.1 Cấu tạo 91

4.3.2 Hoạt động 93

4.4.1 Giới thiệu 94

4.4.2 Cấu tạo và hoạt động 96

4.4.3 Ưu nhược điểm 101

4.5 Tạo xoáy dòng khí nạp 102

4.6 Ứng dụng các chu trình để cải tiến quá trình nạp 104

4.6.1 Chu trình Otto - Atkinson 104

a Lịch sử phát triển 104

b Chu trình Otto-Atkinson trên động cơ EXlink 105

c Ưu nhược điểm 107

4.6.2 Chu trình Miller 108

a Lịch sử phát triển 108

b Ứng dụng chu trình Miller trên động cơ 108

c Ưu điểm 109

4.7 Ứng dụng thực tế 109

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 114

5.1 Kết luận 114

5.2 Đề nghị 114

TÀI LIỆU THAM KHẢO 116

- A/F (Air/Fuel): tỷ lệ không khí – nhiên liệu.

- ACIS (Acoustic Control Induction System): Hệ thống nạp khí với chiều dài hiệu dụng

thay đổi

- ĐCD: Điểm chết dưới

- ĐCT: Điểm chết trên

- DME (Digital Motor Electronics): Bộ điều khiển điện tử của động cơ hãng BMW.

- DOHC (Double Over Head Cam): Động cơ có hai trục cam đặt trên nắp máy.

- ECM (Electronic control Module): Mô đun điều khiển điện tử.

- ECU (Electronic Control Unit): Bộ điều khiển điện tử.

- EIVC (Early intake valve closing): Xú páp nạp đóng sớm.

- EMVA (Electro-Mechanical Valve Actuator): Bộ chấp hành xú páp điện từ.

- ETC (Electronic Control Transmission): Bộ điều khiển truyền động điện tử.

- ETCS-i (Electronic Throttle Control System-intelligence): Bướm ga điện tử thông

minh

- EXlink (Extended Expansion Linkage Engine): Động cơ “tăng giãn”.

- i-VTEC (intelligent Variable valve Timing and lift Electronic Control): Hệ thống điều

khiển xú páp biến thiên thông minh điều khiển điện tử

- LIVO (Late Intake Valve Opening): Xú páp nạp mở trễ.

- MIVEC (Mitsubishi Innovative Valve timing Electronic Control system): Hệ thống

điều khiển xú páp biến thiên của Mitsubishi

- OHV (Over Head Valve): Động cơ trục cam nằm trên nắp máy.

- PCM (Powertrain control Module): Mô đun điều khiển truyền lực của hãng Ford.

- SCV (Swirl Control Valve): Van điều khiển sự xoáy của khí nạp.

- SOHC (Single Over Head Cam): Động cơ có một trục cam đặt trên nắp máy.

- STCS (Swirl Tumble Swirl Control System): Hệ thống tạo xoáy lốc dòng khí nạp.

- TRAC (Traction Control): Điều khiển lực kéo.

- T-VIS (Toyota variable induction system): Hệ thống nạp biến thiên của Toyota.

- VANOS (Variable Nockenwellensteuerung): Hệ thống điều khiển xú páp biến thiên

của BMW

- VSC (Vehicle Stability Control): Điều khiển ổn định xe.

- VTEC (Variable valve Timing and lift Electronic Control): Hệ thống điều khiển xú

páp biến thiên bằng điện tử của Honda

- VTEC-E (Variable valve Timing and lift Electronic Control – Economy): Hệ thống

điều khiển xú páp biến thiên của Honda

- VVT (Variable Valve Timing): Điều khiển xú páp biến thiên.

- VVT-I (Variable Valve Timing intelligent): Điều khiển xú páp biến thiên thông minh.

- VVT-iW (Variable Valve Timing - intelligent Wide): Điều khiển xú páp biến thiên

thông minh mở rộng

- VVTL-I (Variable Valve Timing and Lift intelligent system): Điều khiển hành trình

và thời điểm xú páp thông minh

Hình 1.1 Đồ thị PV của chu trình lý tưởng và chu trình thực tế trên đông cơ đốt trong 1

Hình 1.2 Các giải pháp cải thiện hiệu suất động cơ ở chế độ tải thấp 2

Hình 2.1 Pha phối khí của động cơ 4 kỳ không tăng áp 4

Hình 2.2 Cơ cấu thay đổi thời điểm phối khí của hãng FIAT-Distribution Torazza 6

Hình 2.3 Hệ thống Vanos 7

Hình 2.4 Động cơ sử dụng VVT-i của Toyota 9

Hình 2.5 Sơ đồ hoạt động hệ thống VVT-i 9

Hình 2.6 Biểu đồ thể hiện thời điểm phối khí 10

Hình 2.7 Bộ điều khiển VVT-i 11

Hình 2.8 Van điều khiển phối khí trục cam VVT-i 11

Hình 2.9 Trạng thái sớm pha phân phối khí 12

Hình 2.10 Trạng thái trễ pha phối khí 13

Hình 2.11 Trạng thái giữ pha phân phối khí 13

Hình 2.12 Sơ đồ vận hành VTVL-i 14

Hình 2.13 Các chế độ của cơ cấu VVTL-i 15

Hình 2.14 Công tắc áp suất dầu “OFF” 16

Hình 2.15 Chốt đệm trong cơ cấu 16

Hình 2.16 Công tắc áp suất dầu “ON” 17

Hình 2.17 Sự khác nhau giữa hệ thống dual VVT-i và VVT-i 18

Hình 2.18 Các loại vấu cam 19

Hình 2.19 Các hệ thống VTEC 19

Hình 2.20 Bộ phận chấp hành 20

Hình 2.21 Bộ điều khiển ECM/PCM và Biểu đồ mô men và tốc độ 21

Hình 2.22 Chế độ hoạt động ở tốc độ thấp 22

Hình 2.23 Pít tông nối mở 22

Hình 2.24 Chế độ hoạt động ở tốc độ cao 23

Hình 2.25 Pít tông nối đóng 24

Hình 2.26 Cơ cấu ba đòn bẫy 24

Hình 2.27 Động cơ 4G92 đầu tiên của Mitsubishi sử dụng công nghệ MIVEC 26

Hình 2.28 Mitsubishi Grandis sử dụng công nghệ MIVEC 27

Hình 2.29 MiVEC dạng DOHC 27

Hình 2.30 Cơ cấu MiVEC dạng SOHC 28

Hình 2.31 Cơ cấu MiVEC 29

Hình 2.32 Mặt cắt cơ cấu MIVEC 30

Hình 2.33 Chế độ hoạt động MiVEC 30

Hình 2.34 Cơ cấu Double Vanos của hãng BMW 32

Hình 2.35 Các bộ phận truyền động 32

Hình 2.39 Cơ cấu Valvetronic 37

Hình 2.40 Mặt cắt hệ thống Valvetronic 38

Hình 2.41 Độ nâng xú páp nhỏ nhất 39

Hình 2.42 Độ nâng xú páp lớn nhất 40

Hình 2.43 Cấu tạo cơ cấu MultiAir 42

Hình 2.44 Khi van Selonoid mở 43

Hình 2.45 Khi van solenoid dóng 43

Hình 2.46 Chế độ tốc độ cao 44

Hình 2.47 Chế độ tốc độ thấp 44

Hình 2.48 Chế độ hoạt động bán tải 45

Hình 2.49 Chế độ ổn định ở tốc độ thấp 46

Hình 2.50 Chế độ thay đổi theo tải 46

Hình 2.51 Mặt cắt động cơ sử dụng SVA 47

Hình 2.52 Cơ cấu EMVA dùng bộ chấp hành solenoid 48

Hình 2.53 Nguyên lý hoạt động của EMVA dùng bộ chấp hành solenoid 49

Hình 2.54 Cơ cấu EMVA dùng bộ chấp hành nam châm vĩnh cửu 50

Hình 2.55 Nguyên lý hoạt động của EMVA dùng bộ chấp hành nam châm vĩnh cửu 50

Hình 2.56 So sánh giữa EMVA dùng bộ chấp hành solenoid và nam châm vĩnh cửu 52

Hình 3.1 Đồ thị PV so sánh giữa động cơ tăng áp và không tăng áp 55

Hình 3.2 Xe sử dụng bộ tăng áp 56

Hình 3.3 Cấu tạo bộ tăng áp kiểu bơm Roots 57

Hình 3.4 Mô phỏng hoạt động của bộ tăng áp kiểu bơm Roots 59

Hình 3.5 Cấu tạo của bộ tăng áp kiểu ly tâm 59

Hình 3.6 Nguyên lý hoạt động của bộ tăng áp kiểu ly tâm 60

Hình 3.7 Cấu tạo bộ tăng áp kiểu trục vít 61

Hình 3.8 Mô tả hoạt động bộ tăng áp kiểu trục vít 62

Hình 3.9 Bộ turbo tăng áp 63

Hình 3.10 Cấu tạo chi tiết của turbo tăng áp 64

Hình 3.11 Cấu tạo bánh tuabin và bánh nén khí 64

Hình 3.12 Khoang trung tâm trên turbo tăng áp 65

Hình 3.13 Ổ bi tự lựa 66

Hình 3.14 Bộ chấp hành và van cửa xả 66

Hình 3.15 Hệ thống bôi trơn và làm mát 67

Hình 3.16 Nguyên lý làm việc của hệ thống 68

Hình 3.17 Hoạt động của cánh tuabin 68

Hình 3.18 Hoạt động của van cửa xả khi áp suất nạp cao 69

Hình 3.19 Hoạt động của van cửa xả khi áp suất nạp thấp 70

Hình 3.22 Hoạt động bù nhiên liệu của ECU 71

Hình 3.23 Sơ đồ hệ thống turbo tăng áp 72

Hình 3.24 Bộ làm mát trung gian bằng không khí 73

Hình 3.25 Bộ làm mát trung gian bằng nước trên động cơ 3SGTE (Toyota) 73

Hình 3.26 Động cơ lắp đặt Twin-turbo 75

Hình 3.27 Turbo điều khiển khiển cánh 76

Hình 3.28 Cấu tạo turbo điều khiển cánh 77

Hình 3.29 Hoạt động của cánh điều khiển ở tốc độ thấp 78

Hình 3.30 Hoạt động của cánh điều khiển khi ở tốc cao 78

Hình 3.31 Mô phỏng Hybrid tủbocharger 79

Hình 3.33 Tuabin phát điện của Misubishi 80

Hình 3.32 Cấu tạo Hybrid Turbocharger 81

Hình 3.34 Cấu tạo Stator phát điện 82

Hình 3.35 Cấu tạo bên trong Hybrid Turbocharger 83

Hình 3.36 Sơ đồ khối hệ thống 83

Hình 3.37 Hoạt động Hybrid Turbocharger khi bắt đầu tăng tốc 84

Hình 3.38 Hoạt động Hybrid Turbocharger khi chạy ổn định 84

Hình 3.39 Sơ đồ thể hiện mô men theo tốc độ đông cơ của VGT và turbo kiểu kết hợp… 85

Hình 3.40 Sơ đồ thể hiện khả năng tăng áp theo thời gian của VGT và Hybrid Turbocharger 86

Hình 4.1 Hệ thống T-VIS trên động cơ 87

Hình 4.2 Van điều khiển trên hệ thống T-VIS 88

Hình 4.3 Các bộ phận chính hệ thống T-VIS 89

Hình 4.4 Cơ chế hoạt động hệ thống T-VIS 90

Hình 4.5 Nguyên tắc hoạt động của hệ thống T-VIS 90

Hình 4.6 Cấu tạo hệ thống ACIS 91

Hình 4.7 Các bộ phận của hệ thống 92

Hình 4.8 Khi van điều khiển khí nạp đóng 93

Hình 4.9 Khi van điều khí nạp nạp mở 93

Hình 4.10 Tác động của việc đóng mở van tới mô men động cơ 94

Hình 4.11 Bướm ga điện tử ETCS-i trên ô tô 95

Hình 4.12 Điều khiển của hệ thống ETCS-i 95

Hình 4.13 Hệ thống ETCS-i 96

Hình 4.14 Cổ họng gió hệ thống ETCS-i 97

Hình 4.15 Góc mở ở các chế độ của ETCS-i 98

Hình 4.16 Điều khiển mô men truyền lực của hệ thống 99

Hình 4.19 STCS trên động cơ của SYM 103

Hình 4.20 Đóng van ở tốc độ thấp 103

Hình 4.21 Hai dạng xoáy lốc của hai hệ thống 104

Hình 4.22 Đồ thị hành trình của động cơ “tăng giãn nở, giảm hút” 105

Hình 4.23 Cấu tạo chi tiết chuyển động trong động cơ EXlink 105

Hình 4.24 Hoạt động nạp khí của động cơ 106

Hình 4.25 Hoạt động cháy giãn nở của động cơ 106

Hình 4.26 Thiết kế góc lệch của thanh truyền 107

Hình 4.27 Chu trình hoạt động của động cơ Otto và động cơ Miller 108

Hình 4.28 Xe Celica 1990 3S-GE sử dụng T-VIS 110

Hình 4.29 Xe Cressida 3.0 7M-GE sử dụng ACIS 110

Hình 4.30 Xe Camry 2004 sử dụng bướm ga điện tử ETCS-i 111

Hình 4.31 Xe Nissan Senta 2004 sử dụng SCV 111

Hình 4.32 Xe Maxsym 400i của SYM sử dụng STCS 112

Hình 4.33 Xe Honda Accord Plug-in Hydrid Sedan 2014 112

Hình 4.34 Xe Maxda MX-3 113

CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP

1.1 Đặt vấn đề

Ngày nay với nền công nghiệp hiện đại phát triển ồ ạt thì lượng khí thải xả ra môitrường vượt đến mức cảnh báo và lượng nhiên liệu thiên nhiên đang cạn kiệt dần Nềncông nghiêp ô tô là một trong những nhành công nghiệp được chú trọng và phát triểnmạnh hiện nay Do đó, việc sản xuất ô tô cần phải đảm bảo những yêu cầu khắc khe vềkhí thải để tránh ô nhiễm môi trường, tiết kiệm được nhiên liệu thiên nhiên Để đáp ứngnhững yêu cầu phát triển trên các nhà thiết kế, nhà chế tạo ô tô đã nghiên cứu và đưa racác giải pháp nhằm tạo ra chiếc ô tô giảm lượng khí thải độc hại, tiết kiệm nhiên liệu.Bên cạnh đó công suất động cơ cũng phải được cải thiện

Như chúng ta đã biết hiện nay động cơ đốt trong được ứng dụng rộng rãi trên ô tô,các động cơ tĩnh tại Động cơ đốt trong là loại động cơ nhiệt, chất lượng của động cơ

được đánh giá bởi thông số đặt trưng là hiệu suất nhiệt của động cơ ηt Động cơ đạt được

hiệu suất nhiệt càng cao thì tính hiệu quả của động cơ càng tốt

Hình 1.1 Đồ thị PV của chu trình lý tưởng và chu trình thực tế trên đông cơ

đốt trong [17]

Dựa vào đồ thị hình 1.1 ta có thể thấy hiệu suất của chu trình thực tế thấp hơn nhiều

so với chu trình lý tưởng Theo tính toán động cơ với tỉ số nén ε = 9-10, hoạt động ở chế

độ toàn tải thì hiệu suất nhiệt của chu trình khí lý tưởng chỉ đạt 60% Hiệu suất nhiệt củachu trình thực tế thấp hơn chu trình lý tưởng khoảng 20% Sở dĩ có sự chênh lệch cao này

là do trong quá trình hoạt động của động cơ trong thực thế xảy ra nhiều mất mát như: tổnthất nhiệt, thời gian cháy, công tiêu hao trong quá trình xả khí thải và nén khí, công tiêuhao trong quá trình nạp bao gồm sự cản trở của lọc gió, cản trở của xú páp nạp, quá trìnhcháy không hoàn hảo, ma sát giữa các chi tiết chuyển động Các tính toán trên được thựchiện ở chế độ toàn tải nếu ở các chế độ tải thấp hơn thì hiệu suất động cơ còn thấp hơn[1]

Vấn đề đặt ra là làm sao để cải thiện được hiệu suất động cơ trên từng chế độ tải củađộng cơ, bên cạnh đó động cơ phải ít tiêu hao nhiên liệu, thân thiện với môi trường Đểgiải quyết vấn đề đó các kỹ sư, nhà chế tạo đã nghiên cứu nhiều phương pháp như cảitiến hệ thống nạp, hệ thống đánh lửa, hệ thống phun nhiên liệu, hệ thống lưu hồi khí thảiEGR

Hình 1.2 Các giải pháp cải thiện hiệu suất động cơ ở chế độ tải thấp [1]

Ngoài ra dựa vào các đặc tính riêng của từng hệ thống, chúng có thể kết hợp vớinhau để tạo ra phương án tối ưu cho động cơ Ví dụ:

- Hệ thống điều khiển xú páp biến thiên kết hợp với hệ thống tăng áp tạo thành chutrình Miller

- Hệ thống điều khiển xú páp biến thiên kết hợp thay đổi tỉ số nén tạo thành chutrình Otto-Atkinson

Do thời gian có hạn chế trong đồ án này chúng em chỉ tập trung nghiên cứu về

1.3 Phạm vi nghiên cứu

- Trong đồ án này chúng em tập trung nghiên cứu cơ sở lý thuyết, cấu tạo, nguyên

lý hoạt động của các hệ thống điều khiển xú páp biến thiên như VVT-i, VTEC,MIVEC, Vanos, Valvetronic, Mutil Air, xú páp điện từ, các hệ thống tăng áp như

bộ tăng áp, turbo tăng áp, kết hợp của các hệ thống để ứng dụng chu trình Atkinson, chu trình Miller

Otto Ngoài ra ở phần cuối, chúng em còn giới thiệu một số cải tiến hệ thống nạp khácnhư T-VIS, ACIS, bướm ga ETCS-i hay các hệ thống tạo độ xoáy lốc cho dòngkhí như SCV, STSC

1.4 Phương pháp nghiên cứu

 Để hoàn thành đề tài này chúng em đã sử dụng nhiều phương pháp nghiên cứunhư:

- Phương pháp sưu tầm và đọc hiểu tài liệu

- Phương pháp phân tích, tổng hợp

- Phương pháp so sánh và đánh giá

 Ngoài ra chúng em còn sử dụng một số kỹ năng để có thể hoàn thành đề tài:

- Kỹ năng đọc hiểu tiếng Anh

- Kỹ năng sử dụng MS office

- Kỹ năng làm việc nhóm

1.5 Nội dung đề tài

Đồ án được trình bày trong 5 chương với nội dung như sau:

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN XÚ PÁP BIẾN

THIÊN VVT

2.1 Vai trò của điều khiển xúp páp biến thiên đối với động cơ

2.1.1 Vai trò của thay đổi thời điểm đóng mở xú páp

Trên động cơ 4 kỳ theo lý thuyết trục khuỷu quay 2 vòng ứng 720o Một kỳ ứng

180o, pít tông di chuyển từ điểm chết trên (ĐCT) xuống điểm chết dưới (ĐCD) hoặcngược lại Xú páp nạp và xú páp thải phải đóng mở để nạp khí vào và thải khí ra để thựchiên 4 quá trình: nạp, nén, cháy giãn nở, thải

Hình 2.1 Pha phối khí của động cơ 4 kỳ không tăng áp.

 Hoạt động đóng mở của xú páp:

- Việc mở xú páp nạp cho phép hòa khí đi vào xy lanh động cơ (đối với động cơDiesel và phun xăng trực tiếp thì chỉ có không khí) Thời điểm mở xú páp phù hợp

là khi áp suất trong xy lanh hạ thấp hơn áp suất trên đường ống nạp Xú páp nạp

mở trước ĐCT một góc α1 khi pít tông đi từ ĐCT xuống ĐCD

- Xú páp nạp đóng muộn sau ĐCD một góc α1’, khi pít tông đi từ ĐCT xuống ĐCDthì trong lòng xy lanh tạo nên độ chân không, áp suất trong xy lanh thấp hơn ápsuất trên ống nạp Theo quán tính thì không khí sẽ được hút thêm vào để nạp đầyhơn nhằm tăng hiệu suất động cơ

- Xú páp thải mở sớm trước ĐCD một góc α2’, sau quá trình cháy thì áp suất trong

xy lanh cao hơn áp suất khí quyển khi đó khí thải tự thoát ra ngoài Thời điểm mở

xú páp thải hợp lý sẽ làm giảm công tiêu hao để đẩy khí ra ngoài Nhưng nếu xú

- Xú páp thải đóng muộn sau ĐCT một góc α2, nhằm tăng thời gian thải khí xả rangoài để thải sạch hơn hạn chế tối thiểu lượng khí sót còn lại trong xy lanh (do khísót còn lại sẽ giãn nở và chiếm thể tích khí nạp mới làm giảm hệ số nạp).

 Thời điểm đóng mở xú páp ảnh hưởng rất lớn đến công suất động cơ, tiêu haonhiên liệu, khí thải ra môi trường

- Xú páp nạp:

 Ở chế độ tải nhỏ thì độ chân không hình thành trong xy lanh khi pít tông đi từĐCT xuống ĐCD trong quá trình nạp nhỏ nên góc đóng muộn cần nhỏ hơn sovới ở chế độ hoạt động tải lớn

 Ở chế độ tải lớn thời gian pít tông đi từ ĐCT xuống ĐCD nhanh nên khôngkhí không kịp nạp vào để điền đầy do đó cần góc đóng muộn với góc mở lớnhơn nhằm tăng thời gian nạp đầy khí vào xy lanh

- Xú páp thải:

 Khi ở chế độ đầy tải thì xú páp thải thì yêu cầu cần phải có lượng khí sót là ítnhất để nạp tối đa khí nạp mới cho kỳ nạp kế tiếp Do đó góc đóng muộn xúpáp thải phải nhỏ, gần với ĐCT

 Khi ở chế độ một phần tải thì góc đóng muộn xú páp thải thay đổi có thể manglại lợi ích lớn giữ lại một phần khí thải, tăng tuần hoàn khí thải, giúp động cơgiảm phát thải khí xả, thân thiện với môi trường

 Khi động cơ hoạt động ở chế độ cầm chừng thì việc tuần hoàn khí thải giữ lạilượng khí sót nhiều chiếm thể tích khí nạp mới công suất động cơ giảm dẫn tớiđộng cơ dễ tắt máy

 Hiệu quả nạp hòa khí phụ thuộc vào thời điểm đóng xú páp nạp tùy theo từng tốc

độ và tải động cơ Thời điểm đóng xú páp nạp quyết định bao nhiêu hòa khí sẽ được nạpvào xy lanh do đó ảnh hưởng tới tính kinh tế, hiệu quả động cơ và ô nhiễm môi trường[2]

2.1.2 Vai trò của việc thay đổi độ nâng của xú páp

Việc thay đổi độ nâng xú páp ảnh hưởng tới tiết diện lưu thông của dòng khí nạpqua cửa nạp Ngoài ra nó còn làm thay đổi trị số “thời gian – tiết diện” của đường ốngphân phối khí thông đi qua xú páp nạp cũng như xú páp thải nhờ đó làm giảm tốc độdòng chảy và giảm cản của các xú páp, kết quả là làm tăng hệ số nạp

Khi tốc độ động cơ càng cao thì trị số “thời gian-tiết diện” càng giảm Giả sử khiđộng cơ hoạt động ở tốc độ 6000 vòng/phút thì các xú páp sẽ phải mở và đóng 3000 lầnmỗi phút tức 50 lần mỗi giây Tốc độ nhanh như vậy sẽ làm cho trị số “thời gian–tiếtdiện” giảm đi Nhưng yêu cầu khi tốc độ động cơ cao thì tiết diện lưu thông của xú pápphải lớn để hòa khí nạp vào xy lanh 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

xú páp phải thay đổi để phù hợp với các chế độ hoạt động của động cơ Mà độ nâng xú

páp 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

2.2 Khái quát về hệ thống điều khiển xú páp biến thiên VVT-i:

Hiện nay, tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường là hai yêu cầu được đặtlên hàng đầu của ngành ô tô Một trong những biện pháp mà hầu hết các kỹ sư đều chọn

đó là cải tiến hệ thống nạp của động cơ vì lượng khí nạp và thời điểm phân phối khí cóảnh hưởng rất lớn đến công suất động cơ cũng như tiêu hao nhiên liệu, chất lượng khí xả

Hệ thống điều khiển xú páp biến thiên VVT-i là một hệ thống được nghiên cứu và ứngdụng nhiều nhất cũng như thành công nhất trên ô tô Các hãng không ngừng cho ra đời hệthống này với các tên gọi khác nhau và có cấu tạo, cải tiến riêng của mình

 Lịch sử hình thành:

- FIAT là hãng xe hơi trên thế giới phát minh ra hệ thống có thể thay đổi thời điểm phối khí Được phát triển bởi Giovanni Torazza vào cuối những năm 1960, hệ thống này sử dụng áp suất thủy lực để làm thay đổi điểm tựa của cam theo tốc độ động cơ và áp suất của xú páp nạp, độ mở của xú páp có thể thay đổi tới 37%

Hình 2.2 Cơ cấu thay đổi thời điểm phối khí của hãng FIAT-Distribution

Torazza.

- Vào tháng 9 năm 1975, hãng General Motor phát minh ra hệ thống có ý định làthay đổi độ nâng xú páp GM đã chú ý đến đầu vào của xú páp nạp nhằm giảm bớtlượng nhiệt thoát ra bằng cách giảm đến mức tối thiểu lượng nâng xú páp tại tảitrọng thấp mà vẫn giữ được tốc độ nạp cao, do đó làm nhỏ lại đầu vào xú páp 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 thờiđiểm, độ nâng xú páp trong sản xuất xe Chiếc xe Alfa Romeo Spider 2.0L năm

Về sau nó cũng còn được sử dụng trên model xe Alfetta 2.0 Quandrifoglio Orovào năm 1983 cũng như các loại xe khác

- Nissan cũng phát triển hệ thống VVT riêng của họ với động cơ VG30DE (TT) choloại xe Concept Mid-4 của họ Nissan đã tập trung chính vào việc sản xuất hệthống NVCS của mình (Nissan Valve- Timing Control System) tại tốc độ nhỏ vàtrung bình, bởi vì phần lớn động cơ không hoạt động nhiều ở tốc độ cao Hệ thốngNVCS có thể đáp ứng được cả hai yêu cầu là tốc độ cầm chừng êm dịu và hoạtđộng nhiều ở tốc độ thấp, trung bình Mặc dù vậy nó vẫn hoạt động tốt được ở tốc

độ cao Động cơ VG30DE là loại động cơ đầu tiên áp dụng và được lắp ráp trênmodel xe 300ZX (Z31) 300ZR vào năm 1987, đây là loại ô tô đầu tiên sử dụng kỹthuật điều khiển VVT bằng điện tử

- Với bước tiếp theo là vào năm 1989, Honda với hệ thống VTEC Honda bắt đầusản 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

- Vào năm 1992 hãng BMW đã giới thiệu hệ thống VANOS 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 sựkhác biệt là nó có thể cung cấp thêm một bước cho cả ba giai đoạn

Hình 2.3 Hệ thống Vanos.

- Sau đó vào năm 1998, hệ thống Double VANOS được giới thiệu, nó có thể điềukhiển mức độ đốt cháy nhiên liệu, tăng công suất, tốc độ và có chế độ không tải tốthơn, tiết kiệm nhiên liệu hơn Hệ thống Double VANOS này là hệ thống đầu tiênđiều khiển bằng điện tử, điều khiển sự hoạt động liên tục của cả xú páp nạp và xúpáp xả

- Năm 2001, hãng BMW giới thiệu hệ thống Valvetronic, đây là hệ thống duy nhất

có thể làm thay đổi độ nâng xú páp nạp một cách liên tục, cộng thêm thời gian cho

cả hai xú páp nạp và xả Hệ thống điều khiển chính xác đã chú ý nhiều hơn đếnnhiệm vụ của xú páp nạp để điều khiển hoàn toàn xú páp nạp, chú ý đến sự cần

thiết của van tiết lưu và giảm sự tổn thất lớn của bơm Khi tính toán để giảm đượctổn thất của bơm, có thể tăng công suất đầu ra thêm 10% và tiết kiệm nhiên liệu.

- Hãng Ford đã trở thành nhà sản xuất đầu tiên sử dụng hệ thống thay đổi thời điểmphối 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 GM đã đưa ra hệ thống Variable Valve Timing cho động cơI-head V6, gồm có LZE và LZ4 [3]

2.3 Toyota với thời điểm xú páp thay đổi thông minh (VVT-i).

2.3.1 Khái quát chung

VVT-i là một hệ thống điều khiển xú páp với góc mở biến thiên của hãng Toyota

theo nguyên lý điện – thủy lực Hệ thống 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.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: cảm biến VVT, cảm biến

vị trí bướm ga, cảm biến lưu lượng khí nạp, cảm biến vị trí trục khuỷu, cảm biến nhiệt độnước làm mát

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 và bộ chia điện bằng điện tử cùng các bugi đầu iridium Trongquá trình hoạt động, các cảm biến vị trí trục khuỷu, vị trí bướm ga và lưu lượng khí nạpcung cấp các dữ liệu chính về ECU để tính toán thông số phối khí theo yêu cầu chủ động.Trên cơ sở các yếu tố chủ động, hiệu chỉnh và thực tế, ECU sẽ tổng hợp được lệnh phốikhí tối ưu cho buồng đốt Như vậy, thay cho hệ thống cam kiểu cũ với độ mở xú pápkhông đổi, VVT-i đã điều chỉnh vô cấp hoạt động của các xú páp nạp Độ mở và thờiđiểm 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 Ngoài ra, còn một cảm biến đo nồng độ oxy dư đặt ở cụmgóp xả cho biết tỉ lệ % nhiên liệu được đốt Thông tin từ đây được gởi về ECU và cũngđược phối hợp xử lý khi hiệu chỉnh chế độ nạp tối ưu nhằm tiết kiệm xăng và bảo vệ môitrường

Hình 2.4 Động cơ sử dụng VVT-i của Toyota.

Như trong hình minh họa, hệ thống này được thiết kế để điều khiển thời điểm phốikhí bằng cách xoay trục cam trong một phạm vi so với góc quay của trục khuỷu để đạtđược thời điểm phối khí tối ưu cho các điều kiện hoạt động của động cơ dựa trên tín hiệu

từ các cảm biến Thời điểm phối khí được điều khiển như hình sau:

Hình 2.5 Sơ đồ hoạt động hệ thống VVT-i.

 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 lặp xú páp giảm đi để giảm khí xảchạy ngược lại phía nạp Điều này làm ổn định chế độ không tải và cải thiện tính

 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 lặp xú páp tăng lên để tăng EGR nội bộ và giảmmất mát do bơm Điều này cải thiện ô nhiễm khí xả và tính kinh tế nhiên liệu.Ngoài ra, cùng lúc đó thười điểm đóng xú páp nạp được đẩy sớm lên để giảm hiệntượng quay ngược khí nạp lại đường nạp và cải thiện hiệu quả nạp

 Khi tốc độ cao và tải nặng: Thời điểm phối khí được làm sớm lên và độ trùng lặp

xú páp tăng lên để tăng EGR nội bộ và giảm mất mát do bơm Điều này cải thiện ônhiễm khí xả và tính kinh tế nhiên liệu Ngoài ra, cùng lúc đó thời điểm đóngđường nạp và cải thiện hiệu quả nạp Ngoài ra, điều khiển phản hồi được sử dụng

để giữ thời điểm phối khí xú páp nạp thực tế ở đúng thời điểm tính toán bằng cảmbiến vị trí trục cam

Hình 2.6 Biểu đồ thể hiện thời điểm phối khí.

Bộ chấp hành của hệ thống VVT-i bao gồm bộ điều khiển VVT-i dùng để xoay trụccam nạp, áp suất dầu dùng làm lực xoay cho bộ điều khiển VVT-i, và van điều khiển dầuphối khí trục cam để điều khiển đường đi của dầu [4]

2.3.2 Cấu tạo

 Bộ điều khiển VVT-i

Hình 2.7 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 gửi từ phía làm sớm hay làm muộn trục cam nạp

sẽ xoay các cánh gạt của bộ điều khiển VVT-i theo hướng chu vi để thay đổi liên tục thờiđiểm phối khí của trục cam nạp Khi động cơ ngừng, trục cam nạp chuyển động đến trạngthái muộn nhất để duy trì khả năng khởi động Khi áp suất dầu không đến bộ điều khiểnVVT-i ngay lập tức sau khi động cơ khởi động, chốt hãm sẽ hãm các cơ cấu hoạt độngcủa bộ điều khiển VVT-i để tránh tiếng gõ

Ngoài loại trên, cũng có một loại mà pít tông dịch chuyển theo hướng trục giữa cácthen xoắn của bánh răng bên ngoài (ứng với vỏ) và bánh răng trong (gắn trực tiếp vàotrục cam) để làm xoay trục cam

 Van điều khiển dầu phối khí trục cam

Hình 2.8 Van điều khiển phối khí trục cam VVT-i.

Van điều khiển dầu phối khí 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 bộđiều khiển VVT-i đế phía sớm hay phía muộn Khi động cơ ngừng hoạt động, thời điểmphối khí xú páp nạp được giữ ở góc muộn tối đa

- Hoạt động: Van điều khiển dầu phối khí trục cam chọn đường 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 xú páp 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 vàthực hiện điều khiển phản hồi để đạt được thời điểm phối khí chuẩn

2.3.3 Nguyên lý hoạt động

ECU sau khi nhận được các thông tin từ các cảm biến gửi về, tính toán thời điểmđóng mở xú páp tối ưu phù hợp với các chế độ động cơ và gửi tín hiệu điều khiển vanphân phối dầu đến trục cam Việc cấp dầu làm quay cánh gạt lắp trên trục cam dẫn đếnlàm sớm, muộn hay duy trì thời điểm phối khí Các trạng thái cụ thể như sau:

Hình 2.10 Trạng thái trễ pha phối khí.

- Trạng thái giữ :

ECU tính toán góc phối khí chuẩn theo tình trạng đang hoạt động của động cơ Saukhi đặt pha phối khí chuẩn, van phân phối dầu được điều khiển đóng như hình 2.11 [3]

Hình 2.11 Trạng thái giữ pha phân phối khí.

2.3.4 Ưu nhược điểm

- Hệ thống VVT-i là công nghệ thay đổi thời điểm phối khí rất hiệu quả bằng cáchthay đổi thời điểm phối khí liên tục tùy theo chế độ hoạt động của động cơ, VVT-igiúp cho động cơ hoạt động êm dịu và ổn định ở tốc độ thấp nhưng vẫn phát huycông suất tối đa ở tốc độ cao Hiệu suất của động cơ tăng làm giảm lượng nhiênliệu tiêu hao và giảm được lượng khí thải độc hại do quá trình cháy hoàn toàn

- Tất cả hoạt động của động cơ được điều khiển bằng ECU, ECU tính toán thờiđiểm đóng/mở xú páp nạp tối ưu dưới các điều kiện hoạt động khác nhau nhờthông tin nhận được từ các cảm biến Hệ thống chịu sự điều khiển của ECU nêntốc độ xử lý rất nhanh, việc thay đổi chế độ hoạt động của động cơ chỉ trong vàiphần nghìn giây Điều này nâng cao tính năng hoạt động của động cơ ở mọi chế

độ, cung cấp cho động cơ khả năng gia tốc cực nhạy tạo cảm giác mạnh mẽ vượttrội so với các xe không trang bị hệ thống Hiện nay, VVT-i được áp dụng rộng rãitrên các mẫu xe hạng trung của Toyota, đặc biệt với thiết kế động cơ bốn xy lanh

cỡ vừa và nhỏ

2.3.5 Các phiên bản cải tiến

độ nước làm mát và cảm biến vị trí trục khuỷu Các bộ phận cấu thành hệ thống VVTL-igần giống như những bộ phận của hệ thống VVT-i Đó là van điều khiển dầu cho VVTL-

i, các trục cam và cò mổ Van điều khiển dầu cho VVTL-i điều khiển áp suất dầu cấp đếnphía cam tốc độ cao của cơ cấu chuyển vấu cam bằng thao tác điều khiển vị trí van ống

do ECU động cơ thực hiện

Để thay đổi hành trình xú páp, người ta chế tạo trên trục cam 2 loại vấu cam, mộtloại vấu cam ứng với tốc độ thấp và vấu cam tốc độ cao cho mỗi xy lanh Cơ cấu chuyểnvấu cam được lắp bên trong cò mổ giữa xú páp và vấu cam Áp suất dầu từ van điềukhiển dầu của VVTL đến lỗ dầu trong cò mổ và áp suất này đẩy chốt hãm bên dưới chốtđệm Nó cố định chốt đệm và ấn khớp cam tốc độ cao

Hình 2.13 Các chế độ của cơ cấu VVTL-i.

Khi áp suất dầu ngừng tác dụng, chốt hãm được trả về bằng lực của lò xo và chốtđệm được tự do Điều này làm cho chốt đệm có thể di chuyển tự do theo hướng thẳngđứng và vô hiệu hóa vấu cam tốc độ cao Trục cam nạp và xả có các vấu cam với 2 hànhtrình khác nhau cho từng xy lanh, và ECU động cơ chuyển những vấu cam này thành vấucam hoạt động bằng áp suất dầu

• Tốc độ thấp và trung bình (tốc độ động cơ dưới 6000 vòng/phút):

Hình 2.14 Công tắc áp suất dầu “OFF”.

Như trong hình minh họa ở trên, van điều khiển dầu mở phía xả Do đó, áp suất dầukhông tác dụng lên cơ cấu chuyển vấu cam

Hình 2.15 Chốt đệm trong cơ cấu.

Áp suất dầu không tác dụng lên chốt chặn Do đó, chốt chặn bị đẩy bằng lò xo hồitheo hướng nhả khóa Như vậy, chốt đệm sẽ lặp lại chuyển động tịnh tiến vô hiệu hóa Nó

sẽ dẫn động xú páp bằng cam tốc độ thấp và trung bình

• Tốc độ cao (Tốc độ động cơ: trên 6000 vòng/phút, nhiệt độ nước làm mát: cao hơn 600 0 C).

Hình 2.16 Công tắc áp suất dầu “ON”.

Như trong hình vẽ bên trên, phía xả của van điều khiển dầu được đóng lại sao cho

áp suất dầu tác dụng lên phía cam tốc độ cao của cơ cấu chuyển vấu cam Lúc này bêntrong cò mổ, áp suất dầu đẩy chốt chặn đến dưới chốt đệm để giữ chốt đệm và cò mổ Do

đó, cam tốc độ cao ấn xuống cò mổ trước khi cam tốc độ thấp và trung bình tiếp xúc vớicon lăn ECU động cơ đồng thời phát hiện rằng vấu cam đã được chuyển sang vấu camtốc độ cao dựa trên tín hiệu từ công tắc áp suất dầu [4]

 Ưu điểm: Hệ thống cho phép đạt được công suất cao mà không ảnh hưởng đến

tính kinh tế của nhiên liệu hay ô nhiễm khí xả

b Dual VVT-i

Năm 1998, Toyota cho ra đời hệ thống dual VVT-i điều chỉnh cả thời điểm đóng

mở của xú páp nạp và thải Theo tính toán của nhà sản suất, so với động cơ thường DualVVT- i tăng từ 10-15% công suất (còn VVT- i khoảng 8-12%), nhưng điều nổi bật nhất

là Dual VVT-i có lượng khí thải rất sạch, các khí gây ô nhiễm như: HC, CO, NOx hầunhư rất ít hoặc không có, vì Dual VVT- i kiểm soát chặt chẽ chu kỳ thải Thực tế thì điểmkhác nhau là Dual VVT-i được trang bị 2 cơ cấu VVT Controller điều khiển cho 2 trụccam nạp và xả hoạt động một cách độc lập (còn trên VVT-i thì chỉ có một VVTController điều khiển trục cam nạp)

Hình 2.17 Sự khác nhau giữa hệ thống dual VVT-i và VVT-i.

 Ưu điểm:

- Động cơ dễ dàng đạt mô men xoắn cực đại ở tốc độ thấp, ổn định tốc độđộng cơ hơn

- Cải thiện tính kinh tế nhiên liệu

- Kiểm soát khí thải chặt chẽ, giảm mạnh ô nhiễm môi trường

- Giảm triệt để các quá trình cháy xấu, tạo cảm giác “ngọt” hơn khi lái

Tính cho đến hiện tại Dual VVT-i là cơ cấu phối khí tiên tiến của Toyota, tuynhiên do vấn đề kinh tế, vật liệu mà hệ thống này vẫn chưa được trang bị rộng rãi Và

nó vừa được áp dụng cho các xe Corolla, Vios, Camry của Toyota vào những năm

2009 [5]

c Các cải tiến mới nhất của VVT-i

VVT-iE cũng là phiên bản của Dual VVT-i nhưng dùng thiết bị điện để điều chỉnh

và duy trì thời điểm của đóng mở Thời điểm đóng mở xú páp xả vẫn được điều khiểnbằng truyền động thủy lực [4]

VVT-iW đã được giới thiệu với hệ thống phun trực tiếp tăng áp 8AR-FTS được

trang bị cho Lexus NX200t Nó hoạt động cả trên ô tô và động cơ AtkinsonVTEC bằngcách cho góc mở van rộng, vì thế tăng hiệu suất động cơ ở tải trọng thấp Các mô tơ điệntrong các thiết bị truyền động quay cùng với trục cam nạp khi động cơ hoạt động Để duytrì thời điểm đóng mở, mô tơ quay giống tốc độ trục cam, tăng thì nhanh hơn và ngượclại Sư khác biệt này sẽ là cơ chế điều chỉnh thời điểm đóng mở Ưu điểm của hệ thống làtăng độ chính xác của việc điều chỉnh tốc độ động cơ ở tốc độ thấp và nhiệt độ thấp [3]

2.4 VTEC của Honda

2.4.1 Cấu tạo

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 vấu cam tốc độ cao Tùytheo điều kiện làm việc cụ thể của động cơ mà sử dụng loại vấu cam phù hợp

Hình 2.18 Các loại vấu cam.

 Ở dải tốc độ thấp, thời gian mở xú páp được tối ưu hóa nhằm đạt được mô menxoắn cần thiết để xe có thể di chuyển tốt nhất ở tốc độ thấp, đồng thời tiết kiệmnhiên liệu

 Ở dải tốc độ cao, độ mở xú páp và thời gian mở xú páp được tăng lên, không khíđược nạp vào nhiều hơn Hệ thống cung cấp cho xe khả năng di chuyển tốt ở tốc

độ thấp và tăng hiệu suất động cơ khi tốc độ xe tăng lên

Hình 2.19 Các hệ thống VTEC.

Qua nhiều năm phát triển, các động cơ của Honda đã sử dụng qua năm loại hệ thốngVTEC khác nhau gồm: (1) VTEC có một trục cam đặt trên gọi là SOHC; (2) VTEC-E tiếtkiệm nhiên liệu; (3) VTEC có hai trục cam đặt trên DOHC; (4) VTEC có xy lanh khôngtải và (5) công nghệ i-VTEC thông minh Kết cấu của 5 modun trên khác nhau nhưng nóichung chúng giống nhau về mặt nguyên lý vì tất cả đều sử dụng loại trục cam có vấu kép,một vấu dùng khi tốc độ thấp và một vấu dùng ở tốc độ cao Ở dải tốc độ thấp, các xú páp

mở ít và thời gian mở ngắn lại do tốc độ của vấu cam giảm

 Cấu tạo các bộ phận chính của hệ thống:

- Trục cam: có 2 loại (DOHC) và 3 loại (SOHC) vấu cam với biên dang khácnhau

- Trục đòn bẩy và đòn bẩy: trục đòn bẩy có lỗ dẫn dầu thủy lực, đòn bẩy đượcthiết kế đặc biệt với bộ phận khóa (pít tông nối và lò xo)

- Bộ điều khiển trung tâm PCM/ECM: gồm bộ điều khiển nhận tín hiệu từ cáccảm biến và bộ phận chấp hành (gồm van điện từ, công tắc áp suất dầu và vantrượt)

Hình 2.20 Bộ phận chấp hành.

2.4.2 Hoạt động

Hệ thống VTEC có nhiệm vụ chuyển đổi trạng thái hoạt động của động cơ Khiđộng cơ hoạt động ở tốc độ thấp, độ nâng xú páp sẽ nhỏ và thởi gian mở xú páp sẽ ngắnlại Chế độ cam thiết kế cho tốc độ thấp được sử dụng để giảm mức tiêu hao nhiên liệu vàtăng khả năng cháy của nhiên liệu Mặc khác, khi động cơ cần nhiều năng lượng để hoạtđộng ở vận tốc cao, hệ thống sẽ tăng độ nâng và tăng thời gian mở xú páp Chế độ camthiết kế cho tốc độ cao được sử dụng làm tăng công suất và mô men của động cơ lên,động cơ sẽ phát huy công suất tối đa và vận hành tốt nhất với tốc độ cao Hệ thống VTEC

hoạt động giống như một thiết bị nén hay một tuabin tăng áp bằng cách tạo ra khả năngcuốn cao và hiệu suất tiếp nhiện liệu hiệu quả để tạo ra công suất lớn.

Bộ điều khiển trung tâm PCM/ECM sẽ điều khiển việc chuyển đổi qua lại giữa cácvấu cam, được thực hiện qua một chốt khóa (pít tông nối) nối hai đòn bẩy độc lập lạithành một khối tại tốc độ động cơ nhất định Dựa vào các đặc điểm của động cơ, hệ thốngnày có thể nâng dải vòng tua động cơ hoặc giảm dải vòng tua động cơ để tăng mô menxoắn nhưng vẫn tiết kiệm nhiện liệu

Hình 2.21 Bộ điều khiển ECM/PCM và Biểu đồ mô men và tốc độ.

Khi tốc độ động cơ tăng lên, lượng không khí và nhiên liệu cần thiết cũng tăng lên.Nếu các điều kiện như nhiệt độ nước làm mát động cơ, áp suất đường ống nạp, tốc độđộng cơ và tốc độ di chuyển của xe đạt đến một giá trị nào đó, hệ thống sẽ chuyển từ vấucam tốc độ thấp sang vấu cam tốc độ cao Nhờ vậy, độ mở xú páp và thời gian xú páp mởtăng lên

PCM/ECM điều khiển hoạt động của VTEC nhờ tín hiệu điện Khi PCM/ECM kíchhoạt VTEC, công tắc áp suất dầu được bật lên, dầu qua van trượt theo đường ống dẫn đếntác động vào pít tông nối, pít tông này sẽ dịch chuyển sang phải để nối hai cụm cò mổ lạivới nhau, chuyển động đồng thời

 Các chế độ:

 Tốc độ động cơ thấp (dưới 4500 vòng/phút):

Chế độ tốc độ thấp, động cơ chỉ cần một nguồn năng lượng nhỏ đủ để hoạt độngmột cách êm dịu, không bị rung hay tắt máy và tiết kiệm nhiên liệu Do vậy lượng hòakhí cần cung cấp vào buồng đốt ít nên độ mở và thời gian mở của xú páp nạp ngắn Lúcnày hệ thống VTEC chưa hoạt động, việc đóng mở các xú páp nạp do vấu cam có biêndạng nhỏ tác động Vấu cam nhỏ được thiết kế sao cho biên dạng mở xú páp phù hợp vớichế độ làm việc của động cơ ở tốc độ thấp, độ nâng xú páp nhỏ trong thời gian ngắn

Hình 2.22 Chế độ hoạt động ở tốc độ thấp.

Lúc này, cảm biến gởi các thông số về tải trọng, số vòng quay động cơ, tốc độ xe vànhiệt độ động cơ cho bộ điều khiển trung tâm PCM/ECM PCM/ECM xử lý nhận thấyđộng cơ đang hoạt động ở chế độ vòng tua thấp nên không mở hệ thống VTEC Bộ chấphành không nhận được lệnh mở công tắc áp suất dầu, vì vậy dầu thủy lực của đòn bẩykhông đủ áp để thắng lực đàn hồi của lò xo Pít tông nối bị đẩy về bên trái (như hìnhdưới) nên không liên kết các đòn bẩy lại với nhau Do vậy các đòn bẩy chuyển độngriêng lẽ không phụ thuộc lẫn nhau

Hình 2.23 Pít tông nối mở.

Tuy nhiên, vấu cam lớn vẫn tác dụng làm cho đòn bẩy được nâng/hạ theo biên dạngcủa nó Do đòn bẩy chưa được liên kết với đòn bẩy của vấu cam nhỏ nên nó chuyển độngđộc lập không gây tác dụng làm mở xú páp

 Tốc độ cao (trên 4500 vòng/phút):

Khi tốc độ của động cơ tăng lên, lượng không khí và nhiên liệu cần thiết cho động