các hệ thống điều khiển supap

Kỹ thuật điều khiển độ đĩng mở và thời gian đĩng mở của xupap nhằm tối ưu hố quá trình hoạt động của động cơ đã được nhiều hãng ơtơ lớn trên thế giới nghiên cứu và ứng dụng như: HONDA vớ

Lời nói đầu

Trong những năm gần đây, các kỹ thuật nhằm đạt được thành phần khí thải thấp và giảm tiếng ồn đã rất phát triển khơng chỉ đối với ơtơ mà đã được ứng dụng trong cả lĩnh vực xe máy Tuy vậy, thách thức về kỹ thuật vẫn luơn đặt ra nhằm đạt được cơng suất động cơ cao nhưng đồng thời thành phần khí thải thấp và giảm tiếng

ồn Nhiều cơng trình kỹ thuật nghiên cứu đã được phát minh để giải quyết các yêu cầu trên, trong đĩ kỹ thuật điều khiển van nạp và thải cũng được tập trung nghiên cứu và

đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể trong quá trình tối ưu hố hoạt động của động cơ

Kỹ thuật điều khiển độ đĩng mở và thời gian đĩng mở của xupap nhằm tối ưu hố quá trình hoạt động của động cơ đã được nhiều hãng ơtơ lớn trên thế giới nghiên

cứu và ứng dụng như: HONDA với hệ thống điều khiển van biến thiên VTEC là một trong những cơng nghệ tiên tiến nhằm tối ưu hĩa hiệu quả của động cơ_Hệ thống VTEC sẽ điều khiển các thơng số của van nạp, xả hoặc cả hai sao cho hịa khí đi vào buồng đốt hay khí xả đi ra một cách thích hợp nhất; TOYOTA với hệ thống điện tử điều khiển van nạp biến thiên VVT-i (variable valve timing with intelligence) được thiết kế với mục đích nâng cao mơ-men xoắn của động cơ, cắt giảm tiêu thụ nhiên liệu

và khí thải độc hại Ngồi ra các hãng khác như MISUBISHI, FIAT … cũng đạt được

những thành tựu đáng kể trong lĩnh vực này

M ục Lục

1 Những cơng nghệ tiết kiệm nhiên liệu hiện nay

1.1 Cơng nghệ van biến thiên thời gian

2.3 Nguyên Lý Điều Khiển

3 Cơng nghệ VTEC của Honda

3.1 Khái Quát Về Cơng Nghệ VTEC

3.2 Các loại cơng nghệ VTEC đang được Honda sử dụng

3.3 Cấu Tạo Và Nguyên Lý Làm Việc Của Hệ Thống VTEC

3.4 Cơng nghệ mới i-VTEC

3.5 Điều Khiển Phân Phối Khí Cĩ Biên Dạng Cam Thay Đổi

Tài liệu tham khảo

1 Những công nghệ tiết kiệm nhiên liệu hiện nay

Theo s ố liệu của cơ quan nghiên cứu năng lượng Hoa Kỳ, những công nghệ được phát triển trong thời gian gần đây có thể giúp tiết kiệm từ 7% đến 12% chi phí nhiên liệu cho xe hơi

Sự phát triển của khoa học công nghệ đã đóng góp đáng kể vào quá trình nâng cao hiệu suất sử dụng và tiết kiệm nhiên liệu, đặc biệt khi giá xăng dầu ngày càng cao

Có hàng loạt các giải pháp từ các ngành hoá học, sinh học và cơ học được đề xuất Tuy nhiên, không phải tất cả đều kết qu ả khả quan, mặc dù chúng có tác dụng tốt tại một thời điểm nhất định

Cơ quan nghiên cứu và tái sinh năng lượng Hoa Kỳ đã tiến hành thử nghiệm

những công nghệ có tác dụng cải thiện mức tiêu hao nhiên liệu nhưng không làm biến đổi cấu trúc của động cơ

1.1 Công nghệ van biến thiên thời gian

VVT (Variable Valve Timing & Lift) kiểm soát dòng

không khí, nhiên liệu đi vào xi-lanh và khí thải đi ra hệ thống xả

Thông qua VVT, hệ thống sẽ tự động điều chỉnh thời gian nạp-xả

tối ưu để quá trình cháy diễn ra hiệu quả nhất Theo đánh giá,

VVT có khả năng tăng khoảng 5% hiệu suất sử dụng nhiên liệu

1.2 Hệ thống xi-lanh chủ động

Thuật ngữ tiếng Anh "Cylinder Deactivation", công nghệ có khả năng tắt một nửa số xi-lanh trên động cơ khi không cần thiết và kích hoạt trở lại khi tải trọng của xe thay đổi Cải tiến kỹ thuật này có thể giúp chiếc xe nâng cao được 7,5% hiệu suất sử dụng nhiên liệu

Công nghệ Honda VTEC

Hệ thống xi-lanh chủ

động

1 3 Turbin tăng áp và siêu nạp

Có tên gọi "Turbocharger" và "Supercharger", giúp nâng

cao công suất động cơ, giảm kích thước mà không mất đi tính

năng Có thể nâng cao hiệu suất lên 7,5%

1.4 Hệ thống tắt tự động

Tự động tắt máy hoặc khởi động động cơ khi xe dừng lại để giảm lượng tiêu hao và nâng cao hiệu suất tới 8% Tên gọi tiếng Anh: "Integrated Starter/Generator - ISG"

1.5 Công nghệ phun xăng trực tiếp

Phun nhiêu liệu trực tiếp vào xi -lanh thông qua kim phun đa điểm (Direct Fuel Injection) Công nghệ này cho phép tạo nên tỷ

số thể tích không khí/nhiên liệu tối ưu, giúp quá trình cháy xảy ra hoàn toàn hơn Đây là một trong những cải tiến hiệu quả nhất với

khả năng tăng hiệu suất lên 12%

1.6 Hộp số vô cấp

Thuật ngữ tiếng Anh "Continuously Variable

Transmission" Công nghệ sử dụng hộp số có vô số “cấp” hay có

tỷ số truyền không xác định Mặc dù còn có những khó khăn

trong chế tạo và chưa được phổ biến nhưng CVT (sử dụng trên

các xe máy tay ga) đã chứng tỏ được vai trò nâng cao hiệu suất sử dụng lên 6%

1.7 Hộp số bán tự động

Kết hợp cả hai ưu điểm của số tay và số tự động (Automated Manual Transmission) Nó hoạt động như hộp số tay nhưng người lái không cần dùng tay sang

số, cơ cấu sang số được điều khiển bằng điện thông qua hệ thống thuỷ lực AMT có

khả năng nâng cao 7% hiệu suất sử dụng nhiên liệu

2 H ệ thống nạp nhiên liệu điện tử VVT-i của Toyota

Hệ thống VVT-i là thiết kế phun xăng của hãng Toyota 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

2.1 C ấu Tạo :

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 (variable valve timing with intelligence) được thiết kế với mục đích nâng cao mô-men 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 trục 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

Động cơ I4 16 van VVT-i lắp trên Toyota

Camry 2,4 lít

Các v ị trí điều khiển phối khí của van dầu trong VVT-i

2.2 Nguyên Lý Ho ạt Động :

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 về ECU để tính toán thông số phối khí theo yêu cầu chủ động 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 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 xu-páp nạp đúng mức cần thiết vào thời điểm thích hợp Như vậy, thay cho hệ thống cam kiểu cũ với độ mở xu-páp 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

2.3 Nguyên Lý Điều Khiển :

Sơ đồ cơ cấu điều khiển hệ thống VVT-I

2.3.1 Bộ điều khiển VTV-I

Bộ điều khiển VVT-I lắp ở đầu trục cam nạp bao gồm bánh răng trong (ăn khớp với trục cam nạp), bánh răng ngoài (ăn khớp với puly cam), Piston nối bánh răng ngoài và bánh răng trong qua các then hoa xiên

2.3.2 Van dầu điều khiển phối khí

Tùy theo tín hiệu từ ECU van dầu điều khiển dòng chảy dầu thủy lực đến bộ điều khiển VVT-I đến phía mở sớm hay mở muộn

2.3.3 Hoạt động của bộ điều khiển (mở sớm)

Khi ECU động cơ điều khiển van dầu đến vị trí như hình vẽ, dầu áp lực được dẫn vào buồng phía mở sớm, mô men xoắn do then hoa xoắn tạo ra làm cho trục cam xoay theo hướng mở sớm

2.3.4 Hoạt động của bộ điều khiển (mở muộn)

Khi ECU động cơ điều khiển van dầu đến vị trí như hình vẽ, dầu áp lực được dẫn vào buồng phía mở muộn, mô men xoắn do then hoa xoắn tạo ra làm cho trục cam xoay theo hướng mở muộn

2.3.5 Hoạt động của bộ điều khiển (Giữ nguyên vị trí)

Khi ECU động cơ điều khiển van dầu đến vị trí trung gian, dầu áp lực được giữ nguyên trong cả hai buồng và trục cam được giữ nguyên ở vị trí cần điều chỉnh

Hệ thống 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 môi trường

Hệ thống thải

Hiện nay, VVT-i được áp dụng rộng rãi trên các mẫu xe hạng trung của Toyota, đặc biệt với thiết kế động cơ 4 xi-lanh cỡ vừa và nhỏ

3 Công nghệ VTEC của Honda

3.1 Khái Quát V ề Công Nghệ VTEC

H ệ thống điều khiển van biến thiên VTEC của Honda là một trong những công ngh ệ tiên tiến nhằm tối ưu hóa hiệu quả của động cơ VTEC sẽ điều khiển các thông s ố của van nạp, xả hoặc cả hai sao cho hòa khí đi vào buồng đốt hay khí x ả đi ra một cách thích hợp nhất

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

của Porsche VTEC được kỹ sư thiết kế động cơ của Honda, Kenichis Nagahiro sáng

tạo nên

Động cơ tích hợp i-VTEC của Honda Civic

Trong các động cơ đốt trong 4 kỳ thông thường, các van nạp và van xả được điều khiển thông qua các con đội trên trục cam Hình dáng của các con đội sẽ xác định thời điểm (timing), độ nâng (lift) và khoảng thời gian mở (duration) của từng van Thuật ngữ timing dùng để chỉ khi nào van được mở/đóng so với chu trình của piston

Từ lift dùng để chỉ van được mở ở mức độ như thế nào và duration thể hiện van ở

trạng thái mở trong thời gian bao lâu

Do tính chất của hịa khí và sau khi cháy mà 3 thơng số thời điểm, độ nâng và

thời gian mở của các van ở vịng tua thấp và vịng tua cao rất khác nhau Thơng thường, khi thiết kế động cơ, các kỹ sư phải lưu ý tới điều kiện làm việc của từng xe

và xác định chúng cần cơng suất và mơ -men xoắn cực đại ở vịng tua nào Nếu đặt điều kiện hoạt động tối ưu của các van ở vịng tua thấp thì quá trình đốt nhiên liệu lại khơng hiệu quả khi động cơ ở trạng thái vịng tua cao, khiến cơng suất chung của động

cơ bị giới hạn Ngược lại, nếu đặt điều kiện tối ưu ở số vịng tua cao thì động cơ lại

hoạt động khơng tốt ở vịng tua thấp

Từ những hạn chế đĩ, một ý tưởng được các kỹ sư đưa ra là tìm cách tác động

để thời điểm mở van, độ mở và khoảng thời gian mở biến thiên theo từng vịng tua khác nhau sao cho chúng mở đúng lúc, khoảng mở và thời gian mở đủ để lấy đầy hịa khí vào buồng đốt Trên thực tế, điều chỉnh một cách hồn tồn cả 3 thơng số của van

3.1.1 ĐỊNH NGHĨA VTEC (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control

Với sự trang bị cơ cấu cam đặc biệt này, động cơ sẽ tạo ra một phạm vi công suất rộng ở tốc độ thấp và trung bình để phù hợp cho việc vận hành trong thành

phố, đồng thời động cơ cũng phát ra công suất tối đa khi vận hành ở đường cao tốc Điều này sẽ là ý tưởng chung để chế tạo ra những động cơ ôtô hiện đại

Mục tiêu mà HONDA đang sử dụng là tiến tới kỹ thuật hoàn hảo Kỹ thuật này là dựa vào hiệu quả mà động cơ xe đua đã đạt được (như mẫu xe đua thể thức F1)

Hệ thống VTEC là một trong những kết quả của sự nổ lực sáng tạo của các nhà chế tạo ôtô nói chung và của HONDA nói riêng

Sơ đồ kết cấu hệ thống VTEC

3.1.2

• Dễ sử dụng như một động cơ thường

ĐẶC ĐIỂM CỦA VTEC

• Công suất cao phù hợp với từng chế độ làm việc của động cơ

• Tăng tốc nhanh từ tốc độ thấp đến tốc độ cao

• Vận hành êm dịu trong thành phố nhờ vào sự hoạt động của cam tốc độ thấp

• Hiệu suất ưu việt ở tốc độ cao, đồng thời với việc tiết kiệm nhiên liệu

3.2 Các loại công nghệ VTEC đang được Honda sử dụng:

3.2.1

Hệ thống DOHC VTEC của Honda là một biện pháp đơn giản nhằm linh hoạt hoá động cơ bằng cách sử dụng nhiều biên dạng cam khác nhau, thích hợp cho cả hoạt động khi ở tốc độ thấp, lẫn tốc độ cao

DOHC VTEC

3.2.2

Trên động cơ SOHC, xupáp nạp và xupáp xả đều nằm trên một trục do động cơ này sử dụng một trục cam Trong động cơ này, bugi được đặt giữa hai xupáp xả nên công nghệ VTEC chỉ được sử dụng cho hai xupáp nạp Nguyên lý hoạt động của công nghệ SOHC VTEC được trình bày trong phần “ Công nghệ i-VTEC sử dụng trên động

dụng để tăng hiệu suất động cơ ở tốc độ thấp Ở tốc độ thấp, một trong hai xupáp nạp

chỉ mở với một lượng rất nhỏ nhằm tạo xoáy lốc, tăng khả năng hoà trộn nhiên liệu trong buồng đốt, do đó cho phép động cơ sử dụng một tỉ lệ hoà khí nghèo hơn Khi tốc

độ động cơ tăng cao, hệ thống SOHC VTEC-E hoạt động tương tự như nguyên lý cơ

bản của hệ thống VTEC, một piston liên kết bên trong 2 cò xupáp sẽ liên kết chúng lại với nhau, cho phép chúng hoạt động cùng nhau

3.3 Cấu Tạo Và Nguyên Lý Làm Việc Của Hệ Thống VTEC

3.3.1

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

CẤU TẠO

Chú thích :

1 – Trục cam 7 – Piston thủy lực A

2 – Vấu cam tốc độ thấp 8 – Piston thủy lực B

3 – Vấu cam tốc độ cao 9 – Chốt chặn

4 – Cò mổ thứ nhất 10 – Lò xo phụ

5 – Cò mổ giữa 11 – Supap thải

6 – Cò mổ thứ hai 12 – Supap hút

3.3.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG DOHC VTEC HONDA

Đây là kiểu động cơ kết hợp ưu điểm về công suất ở số vòng quay động cơ cao của xe đua và số vòng quay thấp của xe khách thông thường để tạo nên loại động

cơ duy nhất Động cơ này có khả năng tạo ra một moment lớn ở tốc độ thấp, đồng thời còn phát ra một công suất rộng và tối đa ở tốc độ cao

Hai điểm khác biệt chính giữa động cơ xe khách thông thường và xe đua là thời gian và biên độ mở của supap nạp và thải khác nhau Ở động cơ xe đua, thời gian mở supap dài hơn và đồng thời biên độ mở cũng lớn hơn loại xe khách thông thường Hệ thống VTEC HONDA lấy cơ sở này tính toán để tạo ra động cơ tối ưu nhất Ngoài ra, các nhà chế tạo còn cải thiện sự phân phối khí của động cơ này để chúng hoạt động được tốt hơn, cụ thể là moment ở tốc độ thấp của loại động cơ này lớn hơn so với động cơ thông thường, đồng thời ở tốc độ cao thì công suất phát ra cũng được tận dụng đến một phạm vi tối đa như là động cơ xe đua

Ngày nay, một vài hệ thống VTEC đã được phát triển thêm, trong đó thời gian mà cả hai supap đều mở (cởi nhau) có thể thay đổi Hệ thống VTEC HONDA là hệ thống đầu tiên trên thế giới mà thời điểm phân phối khí có sự thay đổi khi cần thiết, tạo nên một sự khả thi về kỹ thuật điều khiển supap tối ưu