Tiểu luận về hệ thống phân phối khí VTTi có nhận xét ưu điểm, nhược điểm. Tiểu luận khát quát những vẫn đề cơ bản của hệ thống phân phối khí VVTi. So sánh với hệ thống phân phối khí VTEC trên xe Honda.
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH Khoa: Cơ Khí Động Lực
Môn : Động Cơ Đốt Trong
GVHD: TS.Lý Vĩnh Đạt
Họ và tên sinh viên : Nguyễn Việt Phước.
MSSV: 14145208
Lớp: Sáng thứ 6, tiết 1-3
TIỂU LUẬN:
ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG VVT- I TRÊN ĐỘNG CƠ CỦA
TOYOTA
Trang 21 Giới thiệu hệ thống VVT-I (variable valve timing with intelligence)
Ta được biết , hòa khí ( hơi xăng ) trong buồng đốt có một vận tốc cháy giới hạn, khoảng25m/giây Nếu chúng ta chạy xe với vận tốc cao, vòng máy rất nhanh, thì vận tốc của phản ứng cháy nói trên sẽ không kịp đốt cháy hoàn toàn hòa khí, khiến hiệu suất bị giảm Vì vậy, khi vòng máy tăng cao, ứng với tăng vận tốc của xe, cơ cấu VVT-i sẽ tự động mở xú-páp hút sớm hơn thời điểm cố định, hòa khí được nạp sớm hơn, và đốt sớm hơn, cháy trọn vẹn
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 Lịch sử của hệ thống VVT-i
Hệ thống VVT-i được đề xuất thay cho hệ thống VVT từ năm 1991 bắt đầu trên động cơ 4A-GE 20 Valve
VVT-i được giới thiệu năm 1996, thay đổi thời điểm nạp xupap bằng cách điều chỉnh quan hệ giữa hệ thống dẫn động trục cam và trục cam nạp Hiện nay công
Trang 3nghệ thay đổi thời điểm nạp cũng như xả của Toyota gồm có: VVT-i, VVTL-i,
VVT-iE
3 Cấu tạo của hệ thống VVT-i
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 ( Hình 1)
Trang 4Trong 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
Trang 5với 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
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
Vị trí bướm ga được người lái quyết định 80% thông qua pê-đan gắn cảm biến góc đạp chân ga, 20% còn lại chịu sự chi phối của các cảm biến khác Hệ thống bướm ga điện tử ETCS-i hoạt động nhờ một mô-tơ cực nhạy điều khiển bằng xung điện Cảm biến chân ga gồm 2 đầu đo độc lập, phản ánh thao tác của lái xe đến bộ xử lý trung tâm thông qua 2 luồng tín hiệu có đặc tính khác nhau Để dự phòng, nếu 1 trong 2 chiếc bị hỏng thì bướm ga vẫn có khả năng mở ở mức giữa 25% và không tải, nếu cả 2 chiếc gặp sự cố
xe vẫn có thể chạy với chế độ không tải về xưởng sửa chữa
4 Nguyên lý hoạt động
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 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 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
Trang 6Ngoài loại trên, cũng có một loại mà píttông dọc chuyển theo hướng trục giữa các then xoắn của bánh răng bên ngoài (tương ứng vưới vỏ) và bánh răng trong (gắn trực tiếp vào trục cam) để làm xoay trục cam
Van điều khiển dầu phối khí trục cam
Van điều khiển dầu phối khí trục cam chon 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 xupáp 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
Trang 7dùng 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
4.1 Làm sớm thời điểm phối khí
Khi van điều khiển dầu phối khí trục cam được đặt ở vị trí như trên hình vẽ bằng ECU động cơ, 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
Trang 94.2 Làm muộn thời điểm phối khí
Khi ECU đặt van điều khiển thời điểm phối khí trục cam ở vị trí như chỉ ra trong hình vẽ, áp suất dầu tác dụng 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
Trang 104.3 Giữ
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
Trang 115 Các chế độ hoạt dộng
• Khi nhiệt độ thấp, khi tốc độ thấp ở tải nhẹ, hay khi tải nhẹ:
Trang 12Thời điểm phối khí của trục cam nạp được làm trễ lại và độ trùng lặp xupáp giảm đi để giảm khí xả chạy ngược lại phía 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 lặp xupáp tăng lên để tăng EGR nội bộ và giảm mất 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 xupáp nạp đượcđẩy sớm lên để giảm hiện tượng 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 xupáp tăng lên để tăng EGR nội bộ và giảm mất mát do bơm Điều này cải thiện ô nhiễm khí xả và tính kinh tế nhiên liệu Ngoài ra, cùng lúc đó thời điểm đóng xupápnạp được đẩy sớm lên để giảm hiện tượng quay ngược khí nạp lại đường nạp và cải thiện hiệu quả nạp Ngoài ra, điều khiển phản hồi được sử dụng để giữ thời điểm phối khí xupáp nạp thực tế ở đúng thời điểm tính toán bằng cảm biến vị trí trục cam
6 Ưu điểm, nhược điểm của hệ thống VVT-i
Ưu điểm:
- Hoạt động êm dịu và ổn định ở tốc độ thấp nhưng vẫn phát huy công suất tối
đa ở tốc độ cao Hiệu suất của động cơ tăng làm giảm lượng nhiên liệu tiêu hao và giảm được lượng khí thải độc hại do quá trình cháy hoàn toàn
- Hệ thống được điều khiển bởi ECU nên tốc độ xử lý rất nhanh, chế độ hoạt
động của động cơ được thay đổi chỉ trong vài phần nghìn giây Điều này nâng cao tính năng hoạt động của động cơ ở mọi chế độ, cung cấp cho động cơ khả
Trang 13năng gia tốc cực nhạy tạo cảm giác mạnh mẽ vượt trội so với các xe không trang bị hệ thống
Nhược điểm:
- Kết cấu khá phức tạp làm cho việc nâng cấpVVT-i cho các dòng xe mà lúc
sản xuất không trang bị hệ thống này là không khả thi
- Hiện nayVVT-i không phải là công nghệ mới và hiện đại trên động cơ xăng Động cơ xăng hiện nay, công nghệ cao nhất đang dần đưa vào sử dụng chính
là công nghệ GDI -> Gasoline direct injection tức là phun xăng trực tiếp Vì vậy, VVT-i cần được cải tiến
7 So sánh hệ thống VVT-i với các hệ thống phân phối khí khác.( VTEC)
Về cơ bản cả VTT-i và VTEC đều có chung một mục đích là tăng lượng nhiên liệu nạp vào nhằm tăng hiệu suất động cơ
Hệ thống VTEC của Honda là phương pháp khá đơn giản nhằm đảm bảo động cơ hoạt động hiệu quả ở dải vòng tua rộng, thông qua trục cam kép đa trạng thái đã được tối ưu hóa Thay vì mỗi con đội phục trách một van, sẽ có 2 con đội điều khiển Một con đội được thiết kế để động cơ hoạt động tốt ở vòng tua thấp còn một con khác đảm nhiệm vai trò ở vòng tua cao.Sự thay đổi trạng thái giữ hai con đội này được điều khiển bằng máy tính sau khi thu thập các thông số như áp suất dầu động cơ, nhiệt độ máy, vận tốc xe và vòng tua động
cơ Khi vòng tua động cơ tăng, máy tính sẽ kích hoạt con đội thiết kế cho vòng tua cao hoạt động Từ lúc này, van sẽ được đóng mở theo chế độ vòng tua cao như khoảng mở rộng hơn, thời gian mở dài hơn nhằm cung cấp đủ hòa khí cho buồng đốt Hệ thống VTEC trên động cơ trục cam kép sẽ điều khiển cả van xả
và van nạp
Nếu xét trên khía cạnh cấu tạo thì VTEC có vẻ ưu điểm hơn VTT-i nhờ kết cấu đươn giản mà vẫn điều khiến được cả xupap nạp và xupap xả
Trang 148 Các bước cải tiến của Toyota trong hệ thống phân phối khí.
8.1 Hệ thống VTTL-i
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
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 Van điều khiển dầu cho VVTL điều khiển áp suất dầu cấp đến phía 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 xupap, người ta chế tạo trên trục cam 2 loại vấu cam, một loại vấu cam ứng với tốc độ thấp và vấu cam tốc độ cao cho mỗi xilanh
8.2 Hệ Thống Dual VVt-i
Dual VVT- i là công nghệ mới của TOYOTA, được áp dụng đầu tiên trên dòng xe CAMRY 3.5Q (điều khiển thông minh van biến thiên - cả van nạp và van xả) Tất nhiên là có phần ưu điểm hơn VVTi (tăng cường hiệu quả làm
Trang 15việc của động cơ, tiết kiệm nhiên liệu) nhưng không nhiều, chủ yếu là việc giảm khí thải,-giảm thiểu ô nhiễm môi trường Các đời CAMRY 2.4 mới sau này và ALTIS cũng đã được trang bị động cơ thế hệ mới này
9 Kết luận
Việc sử dụng công nghệ VVT-i trên động cơ Toyota, bên cạnh đó là các công nghệ cải tiến dựa trên VVT-i không những làm giảm thiểu các chất độc hại thải ra môi trường mà còn làm tăng công suất và hiệu suất làm việc của động cơ, giúp cho động cơ hoạt động mạnh mẽ và êm dịu hơn
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