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

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.. Thông th

Puly VVT OCV

Rãnh then hoa

Bơm dầu

Cảm biến vị trí trục cam

ECU

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 Nhật, có cả 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

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

Hình 2.10 Cấu tạo van điều khiển dầu VVTL

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

Trục cam và cò mổ: 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

Hình 2.11 Trục cam có hai vấu cam

Cơ cấu chuyển vấu cam được lắp bên trong cò mổ giữa xupap và vấu cam Áp suất dầu từ van điều khiển dầu của VVTL đến lỗ dầu trong cò mổ và áp suất này đẩy chốt hãm bên dưới chốt đệm Nó cố định chốt đệm và ấn khớp cam tốc độ cao

Hình 2.12 Cấu tạo cơ cấu chuyển vấu cam

Khi áp suất dầu ngừng tác dụng, chốt hãm được trả về bằng lực của lò xo và chốt đệm được tự do Điều này làm cho chốt đệm có thể di chuyển tự do theo hướng thẳng đứng và vô hiệu hóa vấu cam tốc độ cao

2.3.3 Hoạt động

Trục cam nạp và xả có các vấu cam với 2 hành trình khác nhau cho từng xylanh, và ECU động cơ chuyển những vấu cam này thành vấu cam hoạt động bằng áp suất dầu

Hình 2.13 Điều khiển ở tốc độ thấp, trung bình, cao

Mạch dầu điều khiển ở tốc độ thấp và trung bình(tốc độ động cơ dưới 6000 vòng/phút)

Hình 2.14 Mạch điều khiển ở tốc độ thấp và trung bình

(tốc độ động cơ dưới 6000 vòng/phút)

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

Hình 2.15 Cơ cấu chấp hành

Áp suất dầu không tác dụng lên chốt chặn Do đó, chốt chặn bị đẩy bằng lò xo hồi theo hướng nhả khóa Như vậy, chốt đệm sẽ lặp lại chuyển động tịnh tiến vô hiệu hóa Nó sẽ dẫn động xupap 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 60 0 C).

Hình 2.16 Mạch điều khiển ở tốc độ cao

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 bên trong 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 với con lăn Nó dẫn động các xupap bằng cam tốc độ cao ECU động cơ đồng thời phát hiện rằng vấu cam đã được chuyển sang vấu cam tốc độ cao dựa trên tín hiệu từ công tắc áp suất dầu

Mở

trước

ĐCD

Đóng sau ĐCT

Độ mở

Độ nâng (mm)

Mở trước ĐCT

Đóng sau ĐCD

Độ mở

Độ nâng (mm) Tốc độ

Tốc độ

Hình 2.17 Sự thay đổi các thông số động cơ 2ZZ-GE