3.3.1. Pha phân phối khí của động cơ
Trong động cơ để thải sạch sản vật cháy ra khỏi xi lanh thì xupap xả không đóng tại vị trí ĐCT mà đóng chậm hơn một chút ứng với góc là 6o và mở sớm xupap xã trước khi pít tông tới ĐCD ứng với một góc 42o. Trong quá trình nạp phải đảm bảo cho đường thông qua xupap nạp đã được mở rộng dần trong khi pít tông đi xuống trong kỳ một, xupap nạp được mở sớm hơn một chút trước khi pít tông đến ĐCT ứng với một góc 29o và đóng muộn xupap nạp ứng với một góc 19o. Như vậy vào cuối kỳ bốn và đầu kỳ một cả xupap nạp và xả đều mở. Giai đoạn cùng mở của các xupap nạp và xả được gọi là thời kỳ trùng điệp của các xupap. Thời kỳ này có tác dụng tốt đến việc thải sạch khí xả và nạp đầy môi chất mới vào xylanh nhờ tác dụng hút của dòng khí xả trên đường ống thải. Giai đoạn tính từ lúc mở đến lúc đóng các xupap (tính bằng góc quay trục khuỷu) được gọi là pha phân phối khí. Ảnh hưởng của pha phân phối khí đến quá trình nạp và thải của động cơ bốn kỳ được thể hiện qua hệ số nạp thêm λ1 và hệ số quét buồng cháy λ2. Các hệ số này làm cho giá trị của hệ số khí nạp ηv và hệ số khí sót γr tính theo pha phân phối khí lý thuyết được sát với giá trị thực trong động cơ thực tế. Hiện nay chưa có một phương pháp giải tích chặt chẽ để xác định λ1 và λ2 theo thời điểm mở và đóng các xupap nạp và xupap xả, λ1 và λ2 được chọn dựa vào số liệu thực nghiệm. Vì vậy cần phải tìm hiểu kỹ các pha phân phối của
Trang 20
những động cơ đã chế tạo và ảnh hưởng của chúng đến diễn biến quá trình nạp và thải của động cơ.
Hình 3.6: Pha phân phối khí
3.3.2. Ảnh hưởng của pha phân phối khí đến quá trình hoạt động của động cơ
Mở xupap nạp sớm: Thời gian bắt đầu mở xupap nạp cần chọn sao cho khi áp
suất trong xylanh (do giãn nở của khí sót) hạ xuống thấp hơn áp suất môi chất trên đường nạp, thì tiết diện lưu thông của xupap nạp đã đủ lớn để môi chất mới đi vào.
Đóng xupap nạp muộn: Xupap nạp cũng thường đóng muộn hơn so với động cơ
truyền thống, sau khi pít tông đã vượt qua ĐCD nhằm nạp thêm môi chất mới vì ở ĐCD tiết diện lưu thông qua xupap còn mở lớn, áp suất trong xylanh còn thấp hơn áp suất không khí. Quán tính của môi chất mới từ đường nạp vào xylanh vẫn còn. Do đó có thể kéo dài quá trình nạp thêm một giai đoạn sau ĐCD cho đến khi áp suất trong xylanh trở nên lớn hơn áp suất không khí. Việc đóng xupap nạp muộn đã được chứng minh là giảm tổn thất bơm tới 40% trong điều kiện tải từng phần và giảm nitric oxide (NOx 24% lượng khí thải). Mô men xoắn cực đại của động cơ chỉ giảm 1% và lượng khí thải hydrocacbon không thay đổi.
Mở xupap thải sớm: Xupap thải bắt đầu mở sớm trước khi pít tông tới ĐCD
nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình thải, bằng cách cho sản vật cháy tự thoát ra nhờ chênh áp giữa xylanh và đường thải. Với mục đích làm giảm tải trọng động cho
Trang 21
xupap, cần phải cho xupap mở và đóng đường thông một cách từ từ. Chính vì vậy việc mở sớm xupap thải nhằm tạo ra giá trị “thời gian – tiết diện” đủ để áp suất trong xylanh được giảm đến mức yêu cầu khi pít tông bắt đầu đi ngược từ ĐCD lên ĐCT. Khi đã mở sớm xupap thải vào thời điểm hợp lý sẽ làm giảm công tiêu hao cho việc đẩy khí thải. Nhưng nếu mở xupap thải quá sớm sẽ làm giảm công giãn nở trên đồ thị công, qua đó làm giảm công suất động cơ. Tốc độ của động cơ càng cao thì thời điểm mở xupap thải phải càng sớm.
Đóng xupap thải muộn: Xupap thải bao giờ cũng đóng muộn (sau khi pít tông đã
đi qua ĐCT) nhằm đảm bảo đủ trị số “thời gian – tiết diện” cho sản vật cháy đi ra ở cuối hành trình thải, mặt khác nhằm lợi dụng chênh áp ∆pr = pr - pth > 0 để sản phẩm cháy được thải tiếp, giảm lượng khí sót còn lại trong xylanh. Ngoài ra, việc đóng muộn xupap xả còn nhằm sử dụng quán tính của dòng khí trên đường thải, sinh ra giảm áp có tính chu kỳ, thấp hơn giá trị trung bình của pth , tạo điều kiện thuận lợi để thải sạch hơn.
3.3.3. Cơ sở lý thuyết của hệ thống thay đổi góc phân phối khí
Khi động cơ hoạt động ở các tốc độ khác nhau, ở mỗi tốc độ tương ứng với một pha phân phối khí cũng khác nhau để cho hệ số nạp ηv là lớn nhất. Hệ số nạp ηv đạt được tối ưu đồng nghĩa với công suất động cơ phát ra là tối ưu ở dãi tốc độ đó.
Theo nguyên lý động cơ thì người ta muốn các giá trị thực tế của hệ số nạp và hệ số khí sót tính theo pha phân phối đựợc gần với giá trị theo lý thuyết. Mặt khác khi các xupap đóng mở các cửa nạp và thải đúng lúc theo từng tốc độ khác nhau cũng cải thiện được các sản vật cháy sinh ra ít gây ô nhiễm môi trường. Vậy, để cho động cơ làm việc tốt nhất, hiệu quả nhất ở mỗi chế độ làm việc thì phải cần có một pha phân phối tương ứng hay nói cách khác thì các góc đóng mở của các xupap phải thay đổi theo phù hợp với tốc độ động cơ. Đối với các động cơ thông thường việc làm này rất khó khăn.
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ nhất là công nghệ điều khiển tự động. Hơn hết là điều khiển tự động bằng thủy lực. Điều khiển bằng thủy lực làm việc có hiệu quả cao, độ nhạy lớn, phù hợp với việc điều khiển các cơ cấu mang tính chính xác cao. Nhiều nhà sản xuất, chế tạo động cơ trên thế giới đã áp dụng công
Trang 22
nghệ này vào việc điều khiển các cơ cấu, các chi tiết,… trong động cơ. Đi đầu là nhà sản xuất động cơ Hyundai áp dụng hệ thống xoay trục cam vào việc điều khiển cơ cấu phân phối khí trong động cơ. Với hệ thống này sẽ tự động điều khiển xoay trục cam đi một góc nào đó để thay đổi góc phân phối khí phù hợp với từng chế độ làm việc của động cơ.
Hệ thống xoay trục cam sử dụng áp suất dầu bôi trơn của động cơ cùng với sự điều khiển của van điện từ làm xoay trục cam dẫn động xupap. Khi sử dụng hệ thống này trong cơ cấu phân phân phối khí có thể làm cho các giá trị của hệ số khí nạp và hệ số khí sót thực tế gần với giá trị theo tính toán lý thuyết ở các tốc độ khác nhau của động cơ. Đồng thời cũng làm tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu, làm giảm nồng độ khí xả độc hại, mang lại tính kinh tế cao đáp ứng được các yêu cầu của người tiêu dùng và tiêu chuẩn về mức độ ô nhiễm môi trường của thế giới đặt ra.
Tuy nhiên để việc điều khiển chính xác cho hệ thống trong cơ cấu phân phối khí cần phải lắp các cảm biến để nhận biết được trạng thái làm việc của động cơ như cảm biến vị trí trục khuỷu, cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến vị trí trục cam, cảm biến nhiệt độ dầu … Các giá trị nhận được từ các cảm biến sẽ truyền đến bộ xử lý tính toán ECU của động cơ.
3.4. Đặc điểm, kết cấu của hệ thống thay đổi góc phân phối khí CVVT 3.4.1. Chức năng của hệ thống 3.4.1. Chức năng của hệ thống
Hệ thống làm thay đổi góc phân phối khí phù hợp quá trình làm việc của động cơ sao cho phù hợp với điều kiện làm việc của động cơ. Hệ thống sử dụng áp suất thuỷ lực điều khiển bằng van điện từ để xoay trục cam và thay đổi thời điểm phối khí để đạt được thời điểm phối khí tối ưu và cải thiện động cơ để giảm bớt sự tiêu hao nhiên liệu. Hệ thống này có thể xoay trục cam một góc 40o tính theo góc quay trục khuỷu để đạt thời điểm phối khí tối ưu cho các chế độ hoạt động của động cơ dựa vào các tín hiệu nhận được từ các cảm biến và được điều khiển bằng ECU động cơ. Do đó hệ thống này được đánh giá rất cao vì nó cải thiện quá trình nạp và thải, tăng công suất động cơ, tăng tính kinh tế và giảm ô nhiễm môi trường.
Trang 23
Cấu tạo hệ thống gồm: Bộ điều khiển (CVVT), ECU động cơ, cảm biến vị trí trục khuỷu, cảm biến lưu lượng khí nạp và cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến vị trí trục cam. Trong đó hai bộ phận quan trọng nhất của hệ thống là van điều khiển phối khí (OCV) và bộ điều khiển.
- Bộ điều khiển CVVT: Điều khiển thời điểm đóng mở xupap theo chế độ tải và tốc độ
động cơ.
- ECU: Nhận tín hiệu từ bộ cảm ứng, xử lý tín hiệu và truyền tín hiệu van điều chỉnh (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
dầu OCV.
- OCV: nhiệm vụ nhận tín hiệu từ ECU và thực hiện theo tín hiệu nhận được để
bơm dầu vào bộ điều khiển CVVT. Bộ phận chấp hành của hệ thống dùng để điều khiển xoay trục cam, với áp suất dầu dùng làm xoay bộ điều khiển xác định thời điểm mở sớm hoặc mở muộn xupap, và van điều khiển dầu phối khí trục cam để điều khiển đường đi của dầu.
Nguyên lý điều khiển điện tử:
Hình 3.8: Sơ đồ điều khiển điện tử
ECU của động cơ tính toán thời điểm phối khí tối ưu nhất dựa trên các tín hiệu từ các cảm biến, sau đó so sánh với thời điểm phối khí thực tế (nhận biết được từ tín hiệu cảm biến CVVT) và điều khiển van dầu làm xoay trục cam đi một góc cần điều chỉnh. Cảm biến vị trí trục khuỷu và cảm biến vị trí trục cam làm nhiệm vụ nhận biết
Trang 24
thời điểm phối khí thực tế của động cơ nhờ ECU động cơ. Ngoài ra cảm biến vị trí trục khuỷu còn nhận biết tốc độ của động cơ. Cảm biến vị trí bướm ga và cảm biến vị trí lưu lượng khí nạp cho biết tải của động cơ đang hoạt động, các tín hiệu nhận được từ cảm biến được đưa về ECU động cơ để xử lý. Bộ xử lý ECU của động cơ nhận các tín hiệu của các cảm biến và xử lý để đưa các tín hiệu ra bộ điều khiển để điều khiển van phối khí đóng mở phù hợp với chế độ làm việc của động cơ.
3.4.2. Bộ điều khiển của hệ thống
Bộ điều khiển được gắn trục cam và làm nhiệm vụ quay trục cam nạp theo sự điều khiển của ECU động cơ.
Bộ điều khiển bao gồm một vỏ được dẫn động bởi xích cam và các cánh quay được gắn cố định trên trục cam bằng bulông và chốt định vị. Trong cánh quay có các đường dẫn dầu thông với trục cam để dẫn dầu vào các khoang bên trong bộ điều khiển. Lúc động cơ làm việc trong khoảng 4o ± 2o ứng với góc quay trục cam 20o ± 1o. Do đó áp suất dầu phải được tăng lên trong khoảng 0 ÷ 1000 (KPa), được gửi từ phía làm sớm hay phía làm muộn trục cam nạp sẽ xoay các cánh gạt của bộ điều khiển hệ thống theo hướng tương ứng để thay đổi thời điểm phối khí của xupap.
Quá trình làm việc thì nhiệt độ dầu tăng lên hoặc khi không hoạt động ở những nước khi nhiệt độ giảm xuống 0oC như vậy nhiệt thay đổi trong khoảng từ - 40oC ÷ +130oC ngoài ra trên cánh quay còn có lắp chốt khoá để cố định cánh quay với đĩa xích khi động cơ chưa làm việc. Khi động cơ ngừng, trục cam nạp chuyển động đến trạng thái muộn nhất để duy trì khả năng khởi động. Khi động cơ làm việc với tốc độ động cơ dao động trong khoảng 650 ÷ 6000 (v/p), trục cam nạp mở sớm phù hợp từng chế độ. Khi áp suất dầu không đến bộ điều khiển hệ thống ngay lập tức sau khi động cơ khởi động, chốt khoá sẽ hãm các cơ cấu hoạt động của bộ điều khiển hệ thống xoay cam để tránh tiếng gõ.
Trang 25
Trang 26
3.4.3. Van điều khiển phối khí
Van điều khiển phối khí làm nhiệm vụ điều khiển đường dầu đến bộ điều khiển và thoả mãn các điều kiện các hoạt động: nhiệt độ của dầu chạy trong khoảng từ: -40 ÷ + 130oC, phạm vi hoạt động áp suất dầu 0 ÷ 1000 (KPa), điện áp thay đổi 10 ÷ 16 (V) thông qua tín hiệu điều khiển của ECU. Van điều khiển lưu lượng dầu phải thoả những đặc điểm như sau: Điện áp của OCV là 12V, điện trở của cuộn dây 7,4 ± 0,5 (Ω) ứng với nhiệt độ đạt được 20oC, cường độ dòng điện chảy trong khoảng 100 ÷ 1000(mA) và trong quá trình lắp ráp sao cho đạt độ chính sát cao. Khi nhận tín hiệu từ ECU động cơ qua dắt nối điều khiển van điện từ đóng mở các đường đến bộ điều khiển về phía mở sớm hay muộn tuỳ theo tín hiệu điều khiển phụ thuộc vào chế độ làm việc của động cơ. Van điều khiển dầu phối khí trục cam chọn đường dầu đến bộ điều khiển tương ứng với độ lớn dòng điện từ ECU động cơ. Bộ điều khiển quay trục cam tương ứng với các vị trí 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 xupap tối ưu dưới các điều kiện hoạt động khác nhau theo tốc độ của động cơ, lưu lượng khí nạp, vị trí bướm ga và nhiệt độ nước làm mát để điều khiển van phối khí trục cam. Hơn nữa, ECU dùng các tín hiệu từ các 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.
Trang 27
Hình 3.10: Cấu tạo van điều khiển phối khí (OCV) 1-Vỏ van; 2-Lò xo; 3-Đường dầu về; 4-Đường dầu đi; 5-Phớt chắn dầu; 6-Cuộn dây điện từ; 7-Pít tông; 8-Dắt cắm;
9-Đến bộ điều khiển (phía mở muộn); 10-Đến bộ điều khiển (phía mở sớm).
3.4.4. Nguyên lý hoạt động của hệ thống xoay cam
Nguyên lý làm việc của bộ điều khiển ở chế độ xupap mở muộn nhất:
Bộ điều khiển ở chế độ mở muộn nhất ứng với các trường hợp động cơ ở các chế độ khi khởi động, động cơ dừng, động cơ chạy ở chế độ không tải và động cơ chạy ở chế độ nhiệt độ thấp. Các chế độ này yêu cầu yêu cầu hỗn hợp phải đậm để động cơ dễ khởi động, chạy không tải ổn định hơn… Đồng thời ở các chế độ này bướm ga thường mở nhỏ nên độ chân không trước xupap nạp thấp. Do đó độ chênh áp giữa áp suất trước và sau xupap nạp nhỏ vì vậy khí nạp mới khó đi vào xylanh. Hệ số khí sót trong xylanh ở các chế độ này lớn và có xu thuế quay lại đường nạp. Để giảm lượng khí sót
Trang 28
này cần phải mở trể xupap nạp. Khi áp suất khí sót đủ nhỏ thì độ chênh áp giữa áp suất trước và sau xupap nạp đủ lớn, lúc này việc mở xupap nạp là phù hợp nhất để khí nạp được nạp đầy vào trong xylanh. Lúc này van điều khiển được chỉnh ở vị trí xoay trễ bằng tần số tín hiệu trễ từ bộ điều khiển điện tử ECU, áp suất dầu tương ứng được ép vào buồng cánh gạt phía mở trễ để làm quay trục cam theo hướng điều chỉnh trễ. Bộ điều khiển giữ ở chế độ muộn nhất nhờ chốt hãm ở trên cánh quay lắp chặt với trục cam. Trong truờng hợp này đường dầu về phía sớm sẽ thông với cate làm áp suất giảm, đường dầu về phía muộn được bơm dầu vào. Do đó bộ điều khiển giữ ở chế độ mở muộn nhất.