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

Hệ thống phân phối khí thơng minh xe Toyota Chương 2: HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÍ THƠNG MINH TRÊN XE TOYOTA 2.1 Giới thiệu Hệ thống VVT (Variable Valve Timing) sử dụng rộng khắp nhiều công ty sản xuất ô tô áp dụng cách 40 năm Hệ thống VVT đơn giản sử dụng đem lại kết khả quan Hệ thống gồm hai phận là: solenoid điều khiển dầu cấu VVT Trên hình thể vài phận rời, thấy rõ hai phận chính: cấu rịng rọc VVT OCV ( Oil Control Valve, oil solenoid) Cảm biến vị trí trục cam Puly VVT OCV ECU Rãnh then hoa Bơm dầu Hình 2.1 Cơ cấu VVT cổ điển Hệ thống VVT ban đầu hoạt động cách tương đối đơn giản: số vòng quay cố định (4400 vịng/phút động 20 xupap 4AGE) tín hiệu từ máy tính làm cho OCV mở, làm cho áp suất dầu qua đường đặc biệt cam nạp, xuyên qua trung tâm cam nạp tới pully VVT Trong có pittông nhỏ, áp suất dầu đẩy pittông phía sau, làm cho phần phía ngồi pully điều chỉnh với phần bên trong, then hình trơn ốc nên điều khiển hướng pittông Như vậy, tín hiệu từ máy tính làm VVT hoạt động, OCV mở, nguyên nhân làm pully VVT hoạt động sớm 300 góc quay trục khuỷu (sớm 150 so với thân pully) Hệ thống VVT-i kỹ thuật thay đổi thời điểm phối khí phát triển TOYOTA Hệ thống VVT-i thay hệ thống VVT đơn giản vào năm 1991 GVHD : Th.S Lý Văn Trung 25 Hệ thống phân phối khí thơng minh xe Toyota động 4A-GE 20 xupap Hệ thống VVT-i giới thiệu vào năm 1996, thay đổi thời điểm xupap nạp cách điều chỉnh mối quan hệ trục cam điều khiển (dây đai, vị trí bánh dây xích) Hệ thống VVT-i thiết kế hệ thống phun xăng hãng Toyota hoạt động theo nguyên lý điện - thủy lực Cơ cấu tối ưu hóa góc phối khí trục cam nạp dựa chế độ làm việc động phối hợp với thông số điều khiển chủ động Áp suất dầu động đẩy tới truyền động cho với vị trí trục cam Năm 1998 Dual VVT-i (Điều chỉnh xupap xả xupap nạp) giới thiệu động RS2000 Altezza’s 3S- GE Dual VVT-i sử dụng động V6 3.5L2GR-FE V6 Động sử dụng loại xe Avalon, RAV4 Camry Mỹ, Aurion Australia vài model Nhật, có xe Estima Hình 2.2 Cơ cấu VVT-i hãng Toyota Thơng thường, thời điểm phối khí động cố định, hệ thống VVT-i sử dụng áp suất thủy lực để xoay trục cam nạp làm cấu tối ưu hố góc phối khí trục cam nạp dựa chế độ làm việc động phối hợp với thông số điều khiển chủ động Hiệu suất làm việc động phụ thuộc nhiều vào hoạt động cung cấp nhiên liệu Hệ thống điện tử điều khiển xupap nạp biến thiên VVT-i thiết kế với mục đích nâng cao mơmen xoắn động cơ, cắt giảm tiêu thụ nhiên liệu khí thải độc hại GVHD : Th.S Lý Văn Trung 26 Hệ thống phân phối khí thơng minh xe Toyota Các phận hệ thống gồm: xử lý trung tâm ECU 32 bit, bơm đường dẫn dầu, điều khiển phối khí (VVT) với xupap, cảm biến VVT, vị trí bướm ga, lưu lượng khí nạp, vị trí truc khuỷu, nhiệt độ nước Ngoài ra, VVT-i thường thiết kế đồng với cấu bướm ga điện tử ETCS-i, đầu phun nhiên liệu 12 lỗ (loại bỏ hỗ trợ khí ) chia điện điện tử bugi đầu iridium Hình 2.3 Các cảm biến gửi ECU điều khiển VVT-i Trong trình hoạt động, cảm biến vị trí trục khuỷu, vị trí bướm ga lưu lượng khí nạp cung cấp liệu đưa ECU để tính tốn thơng số phối khí theo u cầu chủ động Các cảm biến nhiệt độ nước làm mát động cung cấp liệu hiệu chỉnh, cảm biến vị trí VVT vị trí trục khuỷu cung cấp thơng tin tình trạng phối khí thực tế Trên sở yếu tố chủ động, hiệu chỉnh thực tế, ECU tổng hợp lệnh phối khí tối ưu cho buồng đốt Lệnh tính tốn vài phần nghìn giây định góc đóng mở xupap Áp lực dầu tác động thay đổi vị trí điều khiển phối khí, mở xupap vào thời điểm thích hợp Như vậy, thay cho hệ thống cam kiểu cũ với thời điểm mở xupap không đổi, VVT-i điều chỉnh vô cấp hoạt động góc phối phí xupap Thời điểm mở biến thiên theo phối hợp thơng số lưu lượng khí nạp, vị trí bướm ga, tốc độ nhiệt độ động GVHD : Th.S Lý Văn Trung 27 Hệ thống phân phối khí thơng minh xe Toyota Ngồi ra, cịn cảm biến đo nồng độ oxy đặt ống góp xả cho biết tỷ lệ % nhiên liệu đốt cháy Thông tin từ gửi ECU phối hợp xử lý hiệu chỉnh chế độ nạp tối ưu nhằm tiết kiệm xăng bảo vệ môi trường 2.2 Công nghệ VVT-i (Variable Valve Timing with intelligence) 2.2.1 Cấu tạo cấu VVT-i Bộ chấp hành hệ thống VVT-i bao gồm điều khiển VVT-i dùng để xoay trục cam nạp, áp suất dầu dùng làm lực xoay cho điều khiển VVT-i, van điều khiển để điều khiển đường dầu Hình 2.4 Cấu tạo điều khiển VVT-i Bộ điều khiển bao gồm vỏ dẫn động xích cam cánh gạt cố định trục cam nạp Áp suất dầu từ phía làm sớm hay làm muộn trục cam nạp xoay cánh gạt điều khiển VVT-i để thay đổi liên tục thời điểm phối khí trục cam nạp Khi động ngừng, trục cam nạp chuyển động đến trạng thái muộn để trì khả khởi động Khi áp suất dầu không truyền đến điều khiển VVT-i lập tức, sau động khởi động, chốt hãm hãm cấu hoạt động điều khiển VVT-i để tránh tiếng gõ GVHD : Th.S Lý Văn Trung 28 Hệ thống phân phối khí thơng minh xe Toyota Hình 2.5 Cấu tạo van điều khiển dầu phối khí trục cam Nguyên lý hoạt động van điều phối : Van điều phối trục cam hoạt động theo điều khiển (tỷ lệ hiệu dụng, điều xung PWM) từ ECU động để điều khiển vị trí van ống phân phối áp suất dầu cấp đến điều khiển VVT-i để làm sớm hay làm muộn góc mở xupap nạp Khi động ngừng hoạt động, thời điểm phối khí xupap nạp giữ góc muộn tối đa Van điều phối kiểm soát điều khiển áp suất dầu đến điều khiển VVT-i tương ứng với độ lớn dòng điện từ ECU động 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 trì thời điểm phối khí ECU động tính tốn thời điểm đóng mở van tối ưu điều kiện hoạt động khác theo tốc độ động cơ, lưu lượng khí nạp, vị trí bướm ga nhiệt độ nước làm mát để điều khiển van điều khiển dầu phối khí trục cam Hơn ECU dùng tín hiệu từ cảm biến vị trí trục cam cảm biến vị trí trục khuỷu để tính tốn thời điểm phối khí thực tế thực điều khiển phản hồi để đạt thời điểm phối khí chuẩn 2.2.2 Phương pháp thay đổi thời điểm phối khí Hệ thống thiết kế để điều khiển thời điểm phối khí cách xoay trục cam tính theo góc quay trục khuỷu để đạt thời điểm phối khí tối ưu cho điều kiện hoạt động động dựa tín hiệu từ cảm biến GVHD : Th.S Lý Văn Trung 29 Hệ thống phân phối khí thơng minh xe Toyota a Làm sớm thời điểm phối khí : Khi van điều phối đặt vị trí hình vẽ, ECU động điều khiển áp suất dầu tác động lên khoang cánh gạt phía làm sớm thời điểm phối khí để quay trục cam nạp chiều làm sớm thời điểm phối khí Hình 2.6 Van điều phối dầu vị trí phía làm sớm b Làm muộn thời điểm phối khí : Khi ECU đặt van điều phối trục cam vị trí 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 GVHD : Th.S Lý Văn Trung 30 Hệ thống phân phối khí thơng minh xe Toyota Hình 2.7 Van điều phối dầu vị trí phía làm muộn c Giữ ổn định : ECU động tính tốn góc phối khí chuẩn theo tình trạng vận hành Sau đặt thời điểm phối khí chuẩn van điều khiển dầu phối khí trục cam trì đường dầu đóng hình vẽ để giữ thời điểm phối khí GVHD : Th.S Lý Văn Trung 31 Hệ thống phân phối khí thơng minh xe Toyota Hình 2.8 Van điều phối dầu vị trí ổn định • Thời điểm phối khí điều khiển sau :  Khi nhiệt độ thấp, tốc độ thấp tải nhẹ, hay tải nhẹ : Thời điểm phối khí trục cam nạp làm trễ lại độ trùng điệp xupap giảm để giảm khí xả chạy ngược lại phía đường nạp Điều làm ổn định chế độ không tải cải thiện tính kinh tế nhiên liệu tính khởi động  Khi tải trung bình, hay tốc độ thấp trung bình tải nặng : Thời điểm phối khí làm sớm lên độ trùng điệp xupap tăng lên để tăng lượng khí xả luân hồi nội giảm tổn thất khí động cải thiện tính kinh tế nhiên liệu giảm nồng độ khí xả độc hại Ngồi ra, lúc thời điểm đóng xupap nạp đẩy sớm lên để giảm tượng khí hỗn hợp quay ngược lại đường nạp cải thiện hiệu nạp  Khi tốc độ cao tải nặng : Thời điểm phối khí sớm lên trường hợp mức cao Thời điểm phối khí xupap nạp thay đổi thực tế theo thời điểm tính tốn cảm biến vị trí trục cam điều khiển ECU 2.3 Công nghệ VVTL-i 2.3.1 Mô tả Hệ thống VVTL-i dựa hệ thống VVT-i áp dụng cấu chuyển đổi vấu cam để thay đổi hành trình xupap nạp xả Điều cho phép đạt công suất cao mà không ảnh hưởng đến tính kinh tế nhiên liệu hay nhiễm khí xả Cấu tạo hoạt động hệ thống VVTL-i giống hệ thống VVT-i Việc chuyển đổi hai vấu cam có biên dạng khác dẫn đến làm thay đổi hành trình xupap Trong cấu chuyển vấu cam, ECU động điều khiển chuyển đổi vấu cam nhờ van điều khiển dầu VVTL dựa tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ nước làm mát cảm biến vị trí trục khuỷu GVHD : Th.S Lý Văn Trung 32 Hệ thống phân phối khí thơng minh xe Toyota Hình 2.9 Hệ thống VVTL-i 2.3.2 Cấu tạo Các phận cấu thành hệ thống VVTL-i gần giống phận hệ thống VVT-i Đó van điều khiển dầu cho VVTL, trục cam cò mổ Đến cấu chuyển vấu cam Xả Áp suất dầu Ti van Hình 2.10 Cấu tạo van điều khiển dầu VVTL GVHD : Th.S Lý Văn Trung 33 Hệ thống phân phối khí thơng minh xe Toyota Van điều khiển dầu cho VVTL điều khiển áp suất dầu cấp đến phía cam tốc độ cao cấu chuyển vấu cam thao tác điều khiển vị trí van ống ECU động thực Trục cam cò mổ: để thay đổi hành trình xupap, người ta chế tạo trục cam loại vấu cam, loại vấu cam ứng với tốc độ thấp vấu cam tốc độ cao cho xilanh Hình 2.11 Trục cam có hai vấu cam Cơ cấu chuyển vấu cam lắp bên cò mổ xupap vấu cam Áp suất dầu từ van điều khiển dầu VVTL đến lỗ dầu cò mổ áp suất đẩy chốt hãm bên chốt đệm Nó cố định chốt đệm ấn khớp cam tốc độ cao Hình 2.12 Cấu tạo cấu chuyển vấu cam GVHD : Th.S Lý Văn Trung 34 Hệ thống phân phối khí thông minh xe Toyota Khi áp suất dầu ngừng tác dụng, chốt hãm trả lực lò xo chốt đệm tự Điều làm cho chốt đệm di chuyển tự theo hướng thẳng đứng vơ hiệu hóa vấu cam tốc độ cao 2.3.3 Hoạt động Trục cam nạp xả có vấu cam với hành trình khác cho xylanh, ECU động chuyển vấu cam thành vấu cam hoạt động áp suất dầu Hình 2.13 Điều khiển tốc độ thấp, trung bình, cao GVHD : Th.S Lý Văn Trung 35 Hệ thống phân phối khí thơng minh xe Toyota Mạch dầu điều khiển tốc độ thấp trung bình(tốc độ động 6000 vịng/phút) Hình 2.14 Mạch điều khiển tốc độ thấp trung bình (tốc độ động 6000 vịng/phút) Như hình minh họa trên, van điều khiển dầu mở phía xả Do đó, áp suất dầu khơng tác dụng lên cấu chuyển vấu cam Hình 2.15 Cơ cấu chấp hành Áp suất dầu khơng tác dụng lên chốt chặn Do đó, chốt chặn bị đẩy lò xo hồi theo hướng nhả khóa Như vậy, chốt đệm lặp lại chuyển động tịnh tiến vơ hiệu hóa Nó dẫn động xupap cam tốc độ thấp trung bình GVHD : Th.S Lý Văn Trung 36 Hệ thống phân phối khí thơng minh xe Toyota Tốc độ cao (tốc độ động 6000 vòng/phút, nhiệt độ nước làm mát cao 600 C) Hình 2.16 Mạch điều khiển tốc độ cao Như hình vẽ bên trên, phía xả van điều khiển dầu đóng lại cho áp suất dầu tác dụng lên phía cam tốc độ cao cấu chuyển vấu cam Lúc bên cò mổ, áp suất dầu đẩy chốt chặn đến chốt đệm để giữ chốt đệm cị mổ Do đó, cam tốc độ cao ấn xuống cò mổ trước cam tốc độ thấp trung bình tiếp xúc với lăn Nó dẫn động xupap cam tốc độ cao ECU động đồng thời phát vấu cam chuyển sang vấu cam tốc độ cao dựa tín hiệu từ công tắc áp suất dầu Xả Tốc độ thấp Tốc độ cao Mở Đóng trước sau ĐCD ĐCT 34° 14° 56° 40° Nạp Đóng Độ Mở nâng trước sau (mm) ĐCT ĐCD 228° 7,6 -10 - 33° 58 - 15° 228° 7,6 276° 10,0 15- 58° 97 - 54° 292° 11,2 Độ mở Độ Độ mở nâng (mm) Hình 2.17 Sự thay đổi thông số động 2ZZ-GE GVHD : Th.S Lý Văn Trung 37 ... GVHD : Th.S Lý Văn Trung 32 Hệ thống phân phối khí thơng minh xe Toyota Hình 2.9 Hệ thống VVTL-i 2.3.2 Cấu tạo Các phận cấu thành hệ thống VVTL-i gần giống phận hệ thống VVT-i Đó van điều khiển... muộn thời điểm phối khí để làm quay trục cam nạp theo chiều quay làm muộn thời điểm phối khí GVHD : Th.S Lý Văn Trung 30 Hệ thống phân phối khí thơng minh xe Toyota Hình 2.7 Van điều phối dầu vị... nhiên liệu khí thải độc hại GVHD : Th.S Lý Văn Trung 26 Hệ thống phân phối khí thơng minh xe Toyota Các phận hệ thống gồm: xử lý trung tâm ECU 32 bit, bơm đường dẫn dầu, điều khiển phối khí (VVT)