ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CAM THÔNG MINH TRÊN ÔTÔ SINH VIÊN: TRẦN MINH ĐỨC Tổng quan Hệ thống điều khiển Cam thông minh (Hệ thống nạp thông minh) Hệ thống điều khiển Cam thông minh (Hệ thống nạp thông minh) giúp cho Thời điểm phối khí thay đổi thơng minh VVT-i viết tắt Variable Valve Timing – Intelligent Hệ thống có nhiệm vụ điều khiển thời điểm đóng mở, khoảng nâng khoảng thời gian đóng mở xupap để tối ưu hóa cơng suất làm việc động giúp nâng cao hiệu làm việc, giảm mức tiêu thụ nhiên liệu khí xả Vì hệ thống nạp thông minh ngày trở lên phổ biến ô tô Động dùng hệ thống VVT-I hãng Toyota Ưu vượt trội hệ thống nạp thông minh VVT (Variable Valve Timing) Trong động đốt thông thường, xupap nạp xupap xả điều khiển thơng qua đội trục cam Hình dáng đội xác định thời điểm đóng mở, độ nâng khoảng thời gian mở xupap Đối với xe đời cũ, hệ thống phân phối khí dẫn động điều khiển thống qua cấu khí (khâu, khớp) việc đóng mở xupap cố định theo thiết kế nhà sản xuất khơng thể điều chỉnh (nó bị thay đổi chi tiết mòn đi) dẫn đến lưu lượng khí nạp khơng đổi nên khơng thể tăng cơng suất động Do tính chất hòa khí sau cháy mà thông số thời điểm, độ nâng thời gian mở xupap vòng tua thấp vòng tua cao khác Thông thường, thiết kế động cơ, kỹ sư phải lưu ý tới điều kiện làm việc xe xác định chúng cần cơng suất mơ -men xoắn cực đại vòng tua Nếu đặt điều kiện hoạt động tối ưu xupap vòng tua thấp q trình đốt nhiên liệu lại không hiệu động trạng thái vòng tua cao, khiến cơng suất chung động bị giới hạn Ngược lại, đặt điều kiện tối ưu số vòng tua cao động lại hoạt động khơng tốt vòng tua thấp Để khắc phục nhược điểm này, nhà sản xuất tơ đưa giải pháp tìm cách tác động để thời điểm đóng mở xupap, độ mở khoảng thời gian mở biến thiên theo vòng tua khác cho chúng mở lúc, khoảng mở thời gian mở đủ để lấy đầy hòa khí vào buồng đốt Trên thực tế, điều chỉnh cách hồn tồn thơng số xupap điều khó Để giải vấn đề này, có thời kỳ người ta sử dụng cuộn cảm để điều chỉnh xupap thay sử dụng biên dạng cam Tuy nhiên, kỹ thuật không sản xuất phức tạp đắt Cách tiếp cận ngược lại điều chỉnh xupap cho động hoạt động tốt vòng tua cao Điều có nghĩa xe hoạt động yếu tốc độ vòng tua thấp (trạng thái mà hầu hết xe ln có) hoạt động tốt vòng tua cao Tuy nhiên với phát triển kỹ thuật điện tử nhà sản xuất kết hợp hoàn hảo điện tử - thủy lực – khí phép điều chỉnh thơng số: thời điểm đóng mở xupap, độ mở khoảng thời gian mở để đạt hiệu suất làm việc tối ưu cho động Hiện nay, cơng nghệ có mặt hầu hết hãng xe với tên gọi khác như: VVT-I (Toyota), I-VTEC (Honda), MIVEC (Mitsubishi)… Mô tả hệ thống điều khiển Cam thông minh (VVT-i) động ô tô Thông thường, thời điểm phối khí cố định, hệ thống VVT-i sử dụng áp suất thủy lực để xoay trục cam nạp làm thay đổi thời điểm phối khí Điều làm tăng cơng suất, cải thiện tính kinh tế nhiên liệu giảm khí xả nhiễm Như hình minh họa, hệ thống thiết kế để điều khiển thời điểm phối khí cách xoay trục cam phạm vi 40 độ so với góc quay trục khuỷu để đạt thời điểm phối khí tối ưu cho điều kiện hoạt động động dựa tín hiệu từ cảm biến Thời điểm phối khí điều khiển hình 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 lặp xupap giảm để giảm khí xả chạy ngược lại phía nạp Điều làm ổn định chế độ khơng 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 lặp xupap tăng lên để tăng EGR nội giảm mát bơm Điều cải thiện ô nhiễm khí xả tính kinh tế nhiên liệu Ngồi ra, lúc thời điểm đóng xupap nạp đẩy sớm lên để giảm tượng quay ngược khí nạp lại đường nạp cải thiện hiệu nạp Khi tốc độ cao tải nặng: Thời điểm phối khí làm sớm lên độ trùng lặp xupap tăng lên để tăng EGR nội giảm mát bơm Điều cải thiện nhiễm khí xả tính kinh tế nhiên liệu Ngồi ra, lúc thời điểm đóng xupap nạp đẩy sớm lên để giảm tượng quay ngược khí nạp lại đường nạp cải thiện hiệu nạp Ngoài ra, điều khiển phản hồi sử dụng để giữ thời điểm phối khí xupap nạp thực tế thời điểm tính tốn cảm biến vị trí trục cam Cấu tạo hệ thống VVT-i ô tô 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 dầu phối khí trục cam để điều khiển đường dầu a Bộ điều khiển VVT-i Bộ điều khiển bao gồm vỏ dẫn động xích cam cánh gạt cố định trục cam nạp Áp suất dầu gửi từ phía làm sớm hay làm muộn trục cam nạp xoay cánh gạt điều khiển VVT-i theo hướng chu vi 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 đến điều khiển VVT-i sau động khởi động, chốt hãm hãm cấu hoạt động điều khiển VVT-i để tránh tiếng gõ b Van điều khiển dầu phối khí trục cam Van điều khiển dầu phối khí trục cam hoạt động theo điều khiển (tỷ lệ hiệu dụng) từ ECU động để điều khiển vị trí van ống phân phối áp suất dầu cấp đến điều khiển VVT-i để phía làm sớm hay làm muộn Khi động ngừng hoạt động, thời điểm phối khí xupap nạp giữ góc muộn tối đa Hoạt động hệ thống VVT-i ô tô Van điều khiển dầu phối khí trục cam chọn đường 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 xupap 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 nữa, 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 a Làm sớm thời điểm phối khí Khi van điều khiển dầu phối khí trục cam đặt vị trí hình vẽ ECU động cơ, 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 b Làm muộn thời điểm phối khí Khi ECU đặt van điều khiển thời điểm phối khí trục cam vị trí 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 c Giữ 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 Sự phát triển đa dạng hệ thống điều khiển Cam thông minh Từ khoảng đầu năm 2000, người sử dụng xe Việt nam biết đến khái niệm “hệ thống nạp thông minh” ngày công nghệ trở nên quen thuộc dễ dàng bắt gặp xe Toyota hay Honda tên VVT-I hay I-VTEC, MIVEC… Cơng nghệ VANOS BMW Thực cơng nghệ để ý từ đầu năm 20 kỷ trước, nhiên phải tới thập kỷ 70 Alfa Romeo 2000 đời 1980 trở thành xe sử dụng công nghệ nạp thông minh - sử dụng cấu dẫn động khí Đến năm 1987 Nissan tiếp tục phát triển công nghệ với việc sử dụng kết hợp điện tử để điều khiển việc đóng mở xupap nạp để nâng cao hiệu làm việc động chế độ chờ số vòng quay thấp Tuy nhiên cơng nghệ đạt mức độ hoàn thiện là BMW mắt công nghệ VANOS cho phép điều chỉnh cách liên tục hai xupap nạp xả cho phép tối ưu hóa hiệu làm việc động cơ, giúp tăng công suất, giảm tiêu hao nhiên liệu khí xả cho động Sự đa dạng Đều có nhiệm vụ điều khiển thời điểm đóng mở, khoảng nâng khoảng thời gian đóng mở xupap để tối ưu hóa cơng suất làm việc động giúp nâng cao hiệu làm việc, giảm mức tiêu thụ nhiên liệu khí xả, nhiên nhà sản xuất ô tô lại đưa phương pháp khác để giải vấn đề Trong phạm vi viết Autonet xin giới thiệu hai giải pháp phổ biến nay: * Dịch chuyển trục cam: VVV-I (Toyota), CVTCS ( Nissan), VANOS (BMW)… Trên hệ thống VVT-i hãng Toyota sử dụng nguyên lý điện - thủy lực để tối ưu hóa góc phối khí trục cam nạp dựa chế độ làm việc động phối hợp với thông số điều khiển chủ động Các phận hệ thống gồm: Bộ xử lý trung tâm ECU 32 bit; bơm đường dẫn dầu; điều khiển phối khí (VVT) với van điện; cảm biến: VVT, vị trí bướm ga, lưu lượng khí nạp, vị trí trục khuỷu, nhiệt độ nước Ngồi 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 Trong trình hoạt động, cảm biến vị trí trục khuỷu, vị trí bướm ga lưu lượng khí nạp cung cấp liệu ECU để tính tốn thơng số phối khí theo u cầu chủ động Cảm biến nhiệt độ nước làm mát động cung cấp liệu hiệu chỉnh, đầu đo 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 đóng (mở) van điện hệ thống thủy lực Áp lực dầu tác động thay đổi vị trí điều khiển phối khí, mở xu-páp nạp 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 điều chỉnh vô cấp hoạt động van nạp Độ mở thời điểm mở biến thiên theo phối hợp thơng số lưu lượng khí nạp, vị trí bướm ga, tốc độ nhiệt độ động * Sử dụng hai vấu cam có biên dạng khác nhau: VTEC (Honda), MIVEC (Mitsubishi) VTEC Honda viết tắt thuật ngữ "Variable valve Timing and lift Electronic Control" Hệ thống phát triển nhằm cải thiện hiệu động đốt dải vòng tua động khác Hệ thống VTEC Honda phương pháp đơn giản nhằm đảm bảo động hoạt động hiệu dải vòng tua rộng, thơng qua trục cam kép đa trạng thái tối ưu hóa Thay đội phục trách van, có đội điều khiển Một đội thiết kế để động hoạt động tốt vòng tua thấp khác đảm nhiệm vai trò vòng tua cao.Sự thay đổi trạng thái giữ hai đội điều khiển máy tính sau thu thập thông số áp suất dầu động cơ, nhiệt độ máy, vận tốc xe vòng tua động Khi vòng tua động tăng, máy tính kích hoạt đội thiết kế cho vòng tua cao hoạt động Từ lúc này, van đóng mở theo chế độ vòng tua cao khoảng mở rộng hơn, thời gian mở dài nhằm cung cấp đủ hòa khí cho buồng đốt Hệ thống VTEC động trục cam kép điều khiển van xả van nạp Công nghệ i-VTEC (chữ i lấy từ từ Intelligent) công nghệ điều van biến thiên liên tục van nạp động Honda, i-VTEC, trục cam điều khiển van nạp thay đổi góc khoảng từ 25 đến 50 độ (tùy thuộc vào cấu trúc động cơ) vận hành Các trạng thái trục cam máy tính điều khiển dựa liệu tải trọng xe vòng tua máy Tác dụng i-VTEC nâng mô-men xoắn động cơ, đặc biệt tốc độ vòng tua trung bình Trên mẫu Civic bán Việt Nam, Honda trang bị i-VTEC động I4 trục cam kép DOHC I4 trục cam đơn SOHC Công nghệ MIVEC Mitsubishi Với ưu vượt trội giúp tăng công suất động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu khí thải Hệ thống nạp thông minh ngày phát triển hầu hết nhà sản xuất ô tô giới gọi nhiều tên khác như: AVCS AVLS (Subaru), CPS (Proton, Volvo), CVTCS, N-VCT hay VVL (Nissan), CVVT (Alfa Romeo, Citroën, Geely, Hyundai, Iran Khodro, Kia, Peugeot, Renault, Volvo), DCVCP (General Motors), DVVT (Daihatsu), MIVEC (Mitsubishi), Multiair (FIAT), S-VT (Mazda), VANOS (BMW), VarioCam (Porsche), VCT (Ford, Yamaha), VVC (MG Rover), VVT (Chrysler, General Motors, Proton, Suzuki, Volkswagen Group) ... tả hệ thống điều khiển Cam thông minh (VVT-i) động ô tô Thông thường, thời điểm phối khí cố định, hệ thống VVT-i sử dụng áp suất thủy lực để xoay trục cam nạp làm thay đổi thời điểm phối khí Điều. .. trí trục cam Cấu tạo hệ thống VVT-i ô tô 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 dầu... điều khiển VVT-i sau động khởi động, chốt hãm hãm cấu hoạt động điều khiển VVT-i để tránh tiếng gõ b Van điều khiển dầu phối khí trục cam Van điều khiển dầu phối khí trục cam hoạt động theo điều