CHƯƠNG 5 HỆ THỐNG VANOS VÀ VALVETRONIC TRÊN XE BMW

Chương 5 : HỆ THỐNG VANOS VÀ VALVETRONIC TRÊN XE BMW5.1 Hệ thống VANOS VAriable NOckenwellen Steuerung 5.1.1 Lịch sử phát triển Hệ thống VANOS trang bị trên động cơ BMW là công nghệ làm

Chương 5 : HỆ THỐNG VANOS VÀ VALVETRONIC TRÊN XE BMW

5.1 Hệ thống VANOS (VAriable NOckenwellen Steuerung)

5.1.1 Lịch sử phát triển

Hệ thống VANOS trang bị trên động cơ BMW là công nghệ làm thay đổi thời điểm mở xupap hoạt động dựa trên nguyên lý làm thay đổi vị trí tương đối của trục cam với trục khuỷu động cơ Hệ thống này có thể xoay tương đối trục cam 400 so với góc quay trục khuỷu và điều chỉnh liên tục để tối ưu hóa vị trí trục cam cho tất cả các điều kiện hoạt động của động cơ Không giống như các hệ thống thay đổi thời điểm

mở xupap của các hãng khác VANOS có cấu tạo khác hẳn là sự kết hợp giữa việc điều khiển bằng cơ khí và thủy lực và được quản lý bởi DME (hệ thống điều khiển động cơ của xe)

Hình 5.1 Dạng đồ thị cam

Single VANOS: được giới thiệu vào năm 1992 trên động cơ BMW M50.

Single VANOS điều chỉnh vị trí của trục cam nạp so với trục khuỷu dựa vào tốc độ động cơ và vị trí bàn đạp ga Ở tốc độ thấp xupap nạp được mở trễ lại để chế độ cầm chừng ổn định Khi tốc độ trung bình xupap nạp được mở sớm hơn để tăng góc trùng

0

0

0 84

0

2

12

10

8

6

4

720

40 80 120 160 200 240 280 320 360 400 440 480 520 560 600 640 680

Độ nâng xupap

Góc quay trục khuỷu

Góc sớm tối đa

Góc mặc định-trễ

điệp tạo hiệu ứng EGR tăng tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải ô nhiễm Khi tốc độ động cơ cao xupap nạp lại được mở trễ lại để công suất động cơ phát ra tối đa

Double VANOS: được sử dụng đầu tiên trên động cơ S50B32 vào năm 1996

sau đó là động cơ 6 xylanh M52TU điều chỉnh vị trí của cả trục cam nạp và trục cam

xả so với trục khuỷu Trục cam nạp có thể thay đổi 400 và trục cam xả có thể thay đổi

250 Sự kết hợp hài hòa của hai trục cam làm tối ưu hóa hệ thống Double VANOS kéo dài thời gian mở của xupap hơn 120 và tăng độ nâng xupap thêm 0,9mm nhưng hệ thống yêu cầu áp suất thủy lực lớn để việc điều chỉnh nhanh và chính xác

Ưu điểm VANOS:

 Tăng mômen xoắn ở tốc độ thấp và tốc độ trung bình mà không ảnh hưởng nhiều tới phạm vi công suất động cơ

 Tăng tính tiết kiệm nhiên liệu do tối ưu hóa góc phối khí

 Giảm ô nhiễm khí thải do tối ưu hóa góc trùng điệp của xupap

 Chế độ cầm chừng ổn định

5.1.2 Cấu tạo các bộ phận

Hệ thống điện điều khiển: Modul điều khiển động cơ chịu trách nhiệm kích

hoạt các van solenoid VANOS dựa vào biểu đồ chương trình lưu trong DME thông qua các tín hiệu đầu vào :

 Tốc độ động cơ

 Tải động cơ

 Nhiệt độ nước làm mát

 Vị trí trục cam

 Nhiệt dộ dầu

Tùy thuộc vào loại hệ thống VANOS mà sử dụng solenoid loại on/off hay điều

độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation)

Hình 5.2 Cấu tạo solenoid

Sớm Trễ

Hồi

Từ bơm

Loại động

cơ VANOS Loại Điều chỉnh vô cấp Solenoid

M50TU Single Không 1 solenoid on/off

điều áp

điều áp

Hệ thống điều khiển thủy lực: gồm bơm dầu để tạo áp lực tác dụng lên pittông

van solenoid điều khiển trực tiếp dòng dầu tác động vào bộ chấp hành cơ khí của hệ thống VANOS để từ đó thay đổi vị trí trục cam

Hệ thống điều khiển cơ khí:

Hình 5.3 Các chi tiết hệ thống điều khiển cơ khí

Gồm đĩa xích được dẫn động bởi trục khuỷu động cơ Đĩa xích không gắn cứng với trục cam mà được liên kết với trục cam thông qua then hoa Bánh răng nghiêng trên đĩa xích ăn khớp trong với bánh răng nghiêng của trục then hoa Trục cam lại

Đĩa xích trục cam

Bánh răng nghiêng của đĩa xích và trục then hoa

pittông

được liên kết với trục then hoa bằng bánh răng ăn khớp trong nhưng là răng thẳng Trục then hoa có thể di chuyển dọc trục dưới tác dụng của áp suất thủy lực để làm thay đổi vị trí tương đối của trục cam với đĩa xích Góc độ thay đổi phụ thuộc vào hướng nghiêng ban đầu của trục then hoa và bánh răng đĩa xích Bộ chấp hành cơ khí của tất

cả các hệ thống VANOS hoạt động dưới một nguyên lý giống nhau

5.1.3 Nguyên lý hoạt động

Đĩa xích A được dẫn dộng bởi trục khuỷu giữa tâm có răng nghiêng ăn khớp với trục B

Trục B được kết nối với pittông Khi áp lực thủy lực tác dụng lên pittông sẽ làm trục này di chuyển dọc trục

Trục C là trục cam

Hình 5.4 Cấu tạo cơ cấu Vanos

Làm trễ thời điểm phối khí: Vanos được mặc định ở vị trí làm trễ thời điểm

phối khí, lúc này dòng dầu tác dụng trực tiếp lên mặt sau của pittông (mặt gần trục cam) làm kéo trục này sang trái Khi trục B di chuyển dọc trục sang trái sẽ làm thay đổi góc phối khí theo hướng làm trễ thời điểm phối khí

A

A

Hình 5.5 Làm trễ thời điểm phối khí

Làm sớm thời điểm phối khí : khi dòng dầu tác dụng trực tiếp lên mặt trước

của pittông làm trục B kéo sang phải Khi trục B di chuyển dọc trục sang phải sẽ làm thay đổi góc phối khí theo hướng làm sớm thời điểm phối khí

Hình 5.6 Làm sớm thời điểm phối khí

Giữ nguyên thời điểm phối khí: khi đã đạt được thời điểm phối khí tối ưu,

DME giữ nguyên tỉ lệ hiệu dụng của xung điều khiển để duy trì vị trí trục cam hợp lý

Giá trị của độ rộng xung (thời gian on, duty cycle) do DME gửi tới solenoid sẽ điều khiển áp lực dầu tác dụng lên pittông để làm trễ, sớm hay giữ nguyên thời điểm phối khí

A

5.2 Hệ thống VALVETRONIC

5.2.1 Lịch sử phát triển

Hệ thống Vanos mới chỉ thay đổi được thời điểm phối khí mà chưa tác động sâu được vào độ nâng xupap Do đó BMW tiếp tục phát minh ra hệ thống Valvetronic và xuất hiện lần đầu trên mẫu xe BMW 316ti 4 xylanh nhỏ gọn vào tháng 6 năm 2001 và hiện nay được sử dụng rộng rãi trên các mẫu BMW 3-series Động cơ ứng dụng công nghệ Valvetronic được trang bị hệ thống máy tính quản lý có bộ xử lý 40-megahertz, 32-bit trên xe và là động cơ đầu tiên trên thế giới không cần sử dụng bướm ga

Hình 5.7 Sơ đồ bố trí các chi tiết hệ thống Valvetronic

Valvetronic là hệ thống tự động điều chỉnh hoà khí của động cơ thông qua cơ cấu phun xăng đa điểm và độ mở xupap biến thiên Sự khác biệt giữa Valvetronic và các công nghệ phun xăng đa điểm khác là Valvetronic không sử dụng bướm ga cơ khí

để điều khiển lượng hoà khí cho động cơ mà dùng chính cơ cấu xupap có độ mở biến

Mô tơ điện

Trục cam Đòn dẫn Trục vít bánh vít

Đòn gánh

Xupap

thiên làm nhiệm vụ đó Hệ thống phun xăng thông thường dùng bướm ga để điều chỉnh lượng gió (hoặc hoà khí, tùy theo phun trực tiếp hay gián tiếp) Tuy nhiên khi tải nhẹ (khi xe đang chạy chậm hay trong trường hợp xe xuống dốc), bướm ga đóng một phần hay gần như đóng kín, lúc này các pittông vẫn chuyển động đi xuống thực hiện quá trình nạp Điều này tăng thêm một độ chân không cục bộ giữa cánh bướm ga và buồng cháy của động cơ gây cản trở hoạt động đi xuống của pittông làm tổn thất quá trình nạp của động cơ tăng lên và cuối cùng làm giảm công suất của động cơ Động cơ chạy càng chậm, bướm ga đóng càng kín, tổn thất năng lượng sẽ càng tăng thêm

Với công nghệ Valvetronic tổn hao này đã được giảm thiểu tới mức thấp nhất,

do pittông dịch chuyển tự do không còn bị tác động từ hiệu ứng chân không Trong hệ thống Valvetronic vẫn có trục cam xupap truyền thống, nhưng song song với trục cam xupap hút còn có một trục lệch tâm, nhiều đòn dẫn và bánh răng trung gian được kết nối với một mô tơ điện tốc độ chậm

Khi người lái nhấn hoặc buông chân ga, động tác này được chuyển sang tín hiệu điện Tín hiệu điện được máy tính gửi ngay đến mô tơ, tuỳ theo việc tăng hay giảm tốc mà mô tơ sẽ dịch chuyển để thay đổi độ mở của xupap Khi ga thấp mô tơ sẽ tác động tới xupap qua cơ cấu tay đòn và bánh răng để độ mở xupap nhỏ, lượng hoà khí vào trong xylanh ít Ngược lại, khi ga cao mô tơ sẽ điều khiển độ mở xupap lớn để lượng hoà khí vào xylanh nhiều hơn

Do lượng hòa khí vào buồng đốt động cơ luôn được điều chỉnh tùy theo yêu cầu

về công suất và mômen xoắn nên Valvetronic có khả năng tiết kiệm nhiên liệu 10% so với các động cơ có cùng dung tích xylanh (5,3l/100km) Đối với các ô tô thường xuyên hoạt động trong thành phố lượng tiết kiệm có thể còn cao hơn, động cơ êm và phản ứng nhanh hơn khi tăng/giảm tốc, giảm lượng khí thải độc hại do hòa khí được đốt cháy triệt để (140 gram CO2/km) Thông thường BMW thường kết hợp cả công nghệ xoay trục cam Vanos và Valvetronic trên cùng một loại động cơ

Valvetronic đặc biệt hiệu quả với các động cơ có vòng tua thấp nhưng không phát huy được tác dụng khi số vòng tua cao hơn 6000 vòng/phút, do ở tốc độ cao cần phải có lò xo xupap cứng hơn, đảm bảo tính đàn hồi tốt Nhưng lò xo cứng lại gây tổn hao năng lượng như ma sát sẽ lớn hơn, chính vì vậy các mẫu xe có tính năng vận hành cao như BMW M-series không cần Valvetronic

5.2.2 Cấu tạo các bộ phận

Hình 5.8 Cấu tạo của hệ thống Valvetronic

Trục cam: có cấu tạo như một trục cam của động cơ thông thường nhưng các

vấu cam không tác dụng trực tiếp lên cò mổ mà thông qua cơ cấu thay đổi độ nâng xupap

Cơ cấu thay đổi độ nâng xupap: gồm trục lệch tâm, các đòn dẫn và lò xo Khi

mô tơ quay sẽ làm trục lệch tâm quay theo, do được chế tạo lệch tâm nên khi quay nó

sẽ làm thay đổi điểm tựa của các đòn gánh do đó làm thay đổi sự tác dụng của trục cam làm thay đổi độ nâng xupap Lò xo đảm bảo cho đòn dẫn luôn tiếp xúc với cam

Mô tơ điện: là loại mô tơ điện một chiều có tác dụng xoay trục lệch tâm, được

truyền động qua trục lêch tâm thông qua bộ truyền giảm tốc trục vít bánh vít Trục vít lắp trên mô tơ và bánh vít gắn trên trục lệch tâm

Trục cam Trục vít-bánh vít

Trục lệch tâm

Đòn dẫn

Xupap

Lò xo đòn dẫn

5.2.3 Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động của Valvetronic dựa trên sự thay đổi vị trí của dòn dẫn hướng để sự tác dụng của vấu cam lên đòn gánh thay đổi làm độ nâng xupap biến thiên

Xupap đóng hoàn toàn: mô tơ điện quay trục lệch tâm ở vị trí đóng hoàn toàn,

tuy lúc này vấu cam vẫn tác dụng lên đòn dẫn nhưng ở vị trí này đòn dẫn không tác dụng được lên đòn gánh nên kết quả đòn gánh không tác dụng được vào đuôi xupap làm xupap đóng hoàn toàn

Có thể ứng dụng vị trí xupap đóng hoàn toàn trong hệ thống xylanh biến thiên (ngắt một số xylanh khi không cần thiết như ở động cơ V6 thực hiện việc điều khiển chế độ hoạt động 3 hoặc 6 xylanh) Khi ở chế độ tải nhẹ và không cần công suất và mômen lớn hệ thống sẽ ngừng hoạt động các xupap hút của dãy động cơ phía trước Khi đó mức tiêu thụ nhiên liệu sẽ giảm đi

Hình 5.9 Xupap đóng hoàn toàn

Vị trí trục lệch tâm

Khi tốc độ động cơ thấp, tải nhẹ và trung bình: tín hiệu từ các cảm biến như

tốc độ động cơ, tải,nhiệt độ nước làm mát, vị trí bàn đạp ga gửi về hệ thống điều khiển sau đó hệ thống tính toán và điều khiển mô tơ điện quay làm trục lệch tâm quay theo lúc này vấu cam tác dụng vào đòn dẫn đòn gánh xupap làm xupap mở với hành trình nhỏ tiết diện lưu thông nhỏ  hòa khí vào xylanh ít công suất động cơ nhỏ

Khi tốc độ động cơ cao hay tải nặng: mô tơ quay trục lệch tâm ở vị trí mở

lớn nhất do đó độ nâng xupap là lớn nhất làm cho tiết diện lưu thông qua các xupap lớn nhất nên hòa khí nạp vào xylanh nhiều hơn, thời gian nạp dài hơn kết quả công suất và mômen động cơ tăng đáp ứng kịp thời các chế độ hoạt động của động cơ

Khi tốc độ động cơ thấp Khi tốc độ động cơ cao Hình 5.10 Hoạt động ở tốc độ thấp và tốc độ cao

Độ nâng xupap có thể thay đổi từ 0 đến 9,7 mm tùy theo chế độ hoạt động của động cơ

Khả năng đáp ứng của cơ cấu nhanh và chính xác

Vị trí trục lệch tâm Vị trí trục lệch tâm

5.3 Đồ thị công suất và mômen động cơ

Hình 5.11 Đồ thị công suất và mômen động cơ sử dụng Valvetronic 1.8lit

85 KW ở 5500 vòng/phút

175 Nm ở 3750 vòng/phút

0

40

80

120

160

200

240

(KW)

N

vg ph

20 40 60

80 ( )

M Nm