- Khe hở nhiệt upáp là khe hở giữa đuôi upáp với đầu đũn mở (cơ cấu u páp treo) hoặc với đầu bu lông điều chỉnh của con độ
1. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của hệ thống VVT-I a Tổng quan về hệ thống VVT-
a. Tổng quan về hệ thống VVT-i
Hệ thống VVT-i (Variable Valve Timing - intelligent) là hệ thống điều khiển pha phối khí thơng minh được phát triển bởi TOYOTA. Hệ thống VVT-i đã thay cho thế hệ thống VVT đơn giản vào năm 1991 trên động cơ 4A-GE 20 van. Hệ thống VVT-i được giới thiệu vào năm 1996, có tác dụng điều khiển biến thiên thời điểm mở van nạp bằng cách dùng khớp dầu ở đầu trục cam nạp để xoay trục cam nạp lệch đi một góc so với bánh đai cam (hoặc xích cam).
Năm 1998 hệ thống Dual VVT-i có tác dụng điều chỉnh cho cả van xả và van 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.
Những động cơ Dual VVT-i được giới thiệu trên các model mới của TOYOTA, bao gồm cả động cơ 4 xy lanh mới trên loại xe Corolla 2007/2008. Cũng giống như sự nổi tiếng trên động cơ 2UR-FSE D-4S của loại xe Lexus LS600h L 5.0L V8.
Thông thường, thời điểm phối khí của động cơ đều được cố định, nhưng với hệ thống VVT-i việc sử dụng khớp dầu thủy lực để xoay trục cam nạp đã làm thay đổi thời điểm phối khí để tăng cơng suất, tăng tính kinh tế nhiên liệu và giảm khí xả gây ơ nhiễm môi trường.
Hiệu suất làm việc của động cơ phụ thuộc rất nhiều vào hoạt động cung cấp nhiên liệu. Hệ thống điều khiển pha phối khí thơng minh VVT-i được thiết kế với mục đích nâng cao mômen xoắn của động cơ, tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải độc hại. Các bộ phận của hệ thống gồm: Bộ xử lý trung tâm ECU 32 bit, bộ chấp hành VVT với các van điện từ OVC, các
cảm biến: VVT, vị trí bướm ga, lưu lượng khí nạp, vị trí trục khuỷu, nhiệt độ nước làm mát. Ngoài ra, hệ thống VVT-i thường được thiết kế đồng bộ với hệ thống bướm ga điều khiển điện tử ECTS-i, hệ thống phun ăng điện tử EFI, và hệ thống đánh lửa trực tiếp DIS.
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 tốn thời điểm phối khí mục tiêu. Các cảm biến nhiệt độ nước làm mát động cơ cung cấp dữ liệu hiệu chỉnh, còn cảm biến vị trí trục cam và vị trí trục khuỷu thì cung cấp các thơng tin về thời điểm phối khí thực tế.
Hình. Tổng quan hệ thống VVT-i.
Trên cơ ở các yếu tố mục tiêu, hiệu chỉnh và thực tế, ECU sẽ tính tốn thời điểm phối khí tối ưu và đưa ra tín hiệu điều khiển van điện từ. Tín hiệu này được ECU đưa ra trong vài phần nghìn giây quyết định sự đóng (mở) van điện từ điều khiển dịng dầu bơi trơn tới bộ chấp hành VVT.
Áp lực dầu sẽ tác động thay đổi vị trí bộ chấp hành VVT, khi đó làm thay đổi vị trí tương đối của trục cam để mở các xupáp nạp vào thời điểm thích hợp. Như vậy, thay cho hệ thống cam kiểu cũ với độ mở xupáp không đổi, VVT-i đã điều khiển biến thiên thời điểm phân phối khí.
Thời điểm mở biến thiên theo sự phối hợp các thông số về lưu lượng khí nạp, vị trí bướm ga, tốc độ và nhiệt độ động cơ.
Ngồi ra, cịn một cảm biến độ nồng độ oxi dư đặt ở cụm xả cho biết nồng độ o i cịn dư trong khí ả từ đó cho biết hỗn hợp khơng khí nhiên liệu là giàu hay nghèo. Thông tin từ này được gửi về ECU và cũng được phối hợp xử lý khi hiệu chỉnh chế độ nạp tối ưu nhằm tiết kiệm ăng và bảo vệ mơi trường
Hình. Sơ đồ khối nguyên lý hoạt động của hệ thống VVT-i.
b. ECU điều khiển thời điểm phối khí tối ưu
- ECU điều khiển thời điểm mở van biến thiên dựa trên 4 chế độ hoạt động của động cơ.
Hình. ECU điều khiển thời điểm phối khí tối ưu.
+ Khi khong tai, khoi dong, tai nho (Khi nhiệt độ thấp, tốc độ động cơ thấp):
Hình. ECU điều khiển làm muộn thời điểm phối khí.
Thời điểm phối khí của trục cam nạp được làm muộn lại và góc trùng điệp của xupáp giảm đi để giảm khí xả chạy ngược lại phía đường nạp gây nổ ngược. Điều này làm ổn định q trình cháy ở chế độ khơng tải, cải thiện tính kinh tế nhiên liệu và giúp cho việc khởi động động cơ dễ dàng.
+ Khi tải trung bình:
Hình. ECU điều khiển làm sớm thời điểm phối khí
Thời điểm phối khí được làm sớm lên và độ trùng điệp xupáp tăng lên để tăng lượng khí xả luân hồi nội bộ và giảm tổn thất cơng suất cho q trình nạp do đó cải thiện tính kinh tế nhiên liệu và giảm nồng độ khí xả độc hại.
+ Khi tốc độ thấp hoặc trung bình và tải nặng:
Hình. ECU điều khiển làm sớm thời điểm phối khí.
Điều khiển xupáp nạp mở sớm khi đó ẽ làm xupáp nạp đóng ớm nhằm làm giảm hiện tượng khí nạp quay ngược lại đường nạp và cải thiện hiệu quả nạp. Và xupáp thải mở muộn để sử dụng hết áp suất đ y của kỳ cháy.
Hình. ECU điều khiển làm sớm thời điểm phối khí.
Thời điểm mở van nạp được làm muộn lại đồng thời van xả mở sớm nhằm tăng hiệu quả nạp và giảm tổn thất công suất cho quá trình xả. Thời điểm mở xupáp nạp thay đổi thực tế dựa trên tín hiệu từ cảm biến vị trí trục cam và được điều khiển bằng ECU.
c. Cấu tạo của bộ chấp hành VVT.
Hình. Bộ chấp hành VVT.
Hệ thống VVT-i bao gồm bộ chấp hành VVT lắp trên đầu trục cam nạp dùng để xoay trục cam nạp lệch đi một góc (trong giới hạn cho phép) so với vị trí tương đối của đĩa cam. Áp suất dầu dùng làm lực xoay cho bộ chấp hành VVT. Van điện từ dùng để điều khiển dòng dầu tới bộ chấp hành.
Bộ chấp hành VVT- trên e INNOVA có đặc điểm là vỏ và đĩa ích cam rời nhau, bộ phận cánh van chỉ có 3 cánh.
Hình. Cấu tạo của bộ chấp hànhVVT-i trên xe INNOVA.
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 chấp hành VVT để thay đổi liên tục thời điểm phối khí của trục cam nạp.Ngồi ra cịn có một số bộ chấp hành có vỏ liền với đĩa ích cam và cánh van có 4 cánh:
Hình. Bộ chấp hành VVT-i có vỏ liền với đĩa xích cam.
Khi động cơ dừng, chốt khóa sẽ khóa bộ chấp hành VVT với đĩa cam. Tại vị trí khóa thời điểm phối khí của van nạp là muộn nhất để duy trì khả năng khởi động động cơ, và tránh tiếng ồn bộ chấp hành gây ra khi áp suất dầu chưa đủ để truyền tới bộ chấp hành ngay lập tức.
a) Vành răng rời vỏ b) vành răng liền vỏ.
Hình. Vỏ bộ chấp hành VVT-i.
d. Cấu tạo và hoạt động của van điện từ OCV.
+ Cấu tạo của van điện từ OCV:
Hình 3.12. Cấu tạo của van điện từ OCV.
Van điện từ có nhiệm vụ điều khiển dòng dầu áp suất cao tới buồng làm hay buồng làm muộn thời điểm phối khí, đồng thời cũng điều khiển dòng dầu áp suất thấp trở về cácte theo mạch dầu trong nắp máy và thân máy.
Cấu tạo van điện từ bao gồm cuộn d y điện từ, píttơng van, lị xo hồi vị píttơng, giắc kết nối với ECU động cơ, đệm cao su chắn dầu.
+ Nguyên lý hoạt động của van điện từ OCV.
Van điện từ hoạt động theo sự điều khiển từ ECU động cơ để điều khiển vị trí của ống van phân phối áp suất dầu cấp đến bộ điều khiển VVT để làm sớm hay làm muộn thời điểm mở của xupáp nạp. Khi động cơ ngừng hoạt động, trục cam nạp được giữ ở vị trí ứng với thời điểm phối khí muộn nhất.
Van điện từ điều khiển áp suất dầu đến bộ điều khiển VVT tương ứng với độ lớn của dòng điện từ ECU động cơ.
Bộ điều khiển VVT 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 tốn thời điểm đóng mở xupáp tối ưu dưới các điều kiện
và nhiệt độ nước làm mát để điều khiển van điện từ OCV.
Hơn nữa ECU dùng các tín hiệu từ cảm biến vị trí trục cam và cảm biến vị trí trục khuỷu để tính tốn thời điểm phối khí thực tế và thực hiện điều khiển phản hồi để đạt được thời điểm phối khí chu n.
e. Nguyên l làm việc của hệ thống VVT-i.
Thay đổi thời điểm phối khí bằng cách xoay trục cam:
Hình. Nguyên lý hoạt động của hệ thống VVT-i.
Như trong hình minh họa, hệ thống này 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 hoat động của động cơ dựa trên tín hiệu từ các cảm biến.
a. ECU điều khiển làm sớm thời điểm phối khí.
Khi van điện từ được đặt ở vị trí như trên hình vẽ, ECU của động cơ điều khiển áp suất dầu tác động lên cánh gạt phía buồng làm sớm làm cho trục cam nạp quay theo hướng làm sớm thời điểm phối khí.
Hình. ECU điều khiển trục cam làm sớm thời điểm phối khí.
Hình. Trục cam quay về phía làm sớm thời điểm phối khí. b. ECU điều khiển làm muộn thời điểm phối khí.
Khi ECU điều khiển van điện từ OCV ở vị trí như trong hình vẽ, áp suất dầu tác động lên cánh gạt phía buồng làm muộn làm cho trục cam nạp theo hướng làm muộn thời điểm phối khí.
Hình. ECU điều khiển trục cam làm muộn thời điểm phối khí.
Hình. Trục cam quay về phía làm muộn thời điểm phối khí. c. Giữ ổn định thời điểm phối khí.
ECU động cơ tính tốn thời điểm phối khí tối ưu theo tình trạng vận hành của động cơ. Sau khi đạt thời điểm phối khí tối ưu van ECU điều khiển van điện từ OCV đóng các cửa dầu như hình vẽ, để giữ thời điểm phối khí hiện tại.
Hình. ECU điều khiển ổn định thời điểm phối khí.
Hình. Trục cam được cố định.
Tham khảo: i-VTEC của Honda.
) Q trình điều khiển pha phối khí.
2- Tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải. 3- Cho cơng suất tối đa.
Giai đoạn điều khiển làm chậm pha phối khí làm giảm thời gian mở van trùng lặp, kết quả đạt được là mức độ ơ nhiễm trong tuần hồn khí xả thấp và q trình cháy ổn định. Áp dụng cho tốc độ thấp, không tải
Hình. Thời điểm mở muộn nhất.
Giai đoạn điều khiển sớm pha phối khí làm tăng thời gian trùng lặp, tạo hiệu ứng lối cuốn khí xả. Tăng hiệu quả tuần hồn khí xả và giảm tổn thất cho bơm.
Hình. Thời điểm mở sớm nhất.
Việc điều chỉnh liên tục sự trùng lặp pha phối khí nhằm tối ưu hóa lực qn tính của khí nạp để cơng suất đ u ra lớn nhất.
Hình. Thời điểm mở biến thiên.
) Cấu tạo của hệ thống i-VTEC.
Hệ thống i-VTEC (VTC) bao gồm các cảm biến khác nhau được sử dụng kết hợp giữa các bộ phận của VTEC và các bộ phận của VTC.
Hình. Sơ đồ tổng quan cấu tạo của hệ thống i-VTEC. a. Bộ chấp hành VTC.
Bộ chấp hành VTC bao gồm một chốt hãm, buồng áp suất điều khiển mở muộn, buồng áp suất điều khiển mở sớm, hai buồng được phân chia bởi cánh gạt.
1- Lị xo chốt khóa, 2- Chốt khóa, 3- Đĩa xích cam 4- Cánh gạt, 5- Đệm làm kín, 6- Lị xo b. Van điện từ OCV.
Van điện từ OCV được lắp ở dưới vành răng bộ chấp hành, và được điều khiển bởi ECM/PCM.
Hình. Van điện từ VTC OCV
1- Giắc kết nối, 2- Cuộn dây, 3- Về các te, 4- Tới buồng làm muộn,
5- Tới buồng làm sớm, 6- Ống van, 7- Lò xo, 8- từ bơm dầu, 9- Vịng đệm làm kín
) Nguyên l điều khiển hoạt động của hệ thống i-VTEC.
ECM/ CM ác định và tính tốn các tính tốn các tín hiệu từ mỗi cảm biến gửi về và đưa ra tín hiệu phản hồi điều khiền VTC OCV. Khi động cơ được khởi động và áp suất dầu đạt đến một giá trị nhất định một mạch dầu nhỏ từ mạch dầu điêu khiển làm chậm trong van điện từ VTC OCV dẫn dầu lên bộ chấp VTC với một áp lực tác dụng lên chốt hãm giải phóng rotor cánh gạt. au khi động cơ đã chạy được một thời gian van điện từ OCV mới hoạt động. OCV được kích hoạt dựa trên 2 điều kiện: Nhiệt độ dầu bôi trơn trên 5
0
C (230F) và tốc độ động cơ ở một giá trị ác định. Nhiệt độ dầu bôi trơn được ác định từ ETC (Nhiệt độ nước làm mát động cơ) và IAT (Nhiệt độ khí nạp). Đồng thời, nếu i-VTEC phát hiện được lỗi trong hệ thống, VTC sẽ ngừng hoạt động, chốt khóa sẽ giữ pha phối khí ở vị trí muộn nhất.
Hình. Hệ thống điều khiển pha phối khí thơng minh i-VTEC.
Hình. Sơ đồ khối nguyên lý điều khiển hệ thống i-VTEC.
ECM/PCM tính tốn trạng thái hoạt động của VTC thơng qua tín hiệu cảm biến nhiệt độ khí nạp IAT và cảm biến nhiệt độ nước làm mát ECT. Từ tín hiệu cảm biến nhiệt độ nước làm mát ECU tính tốn nhiệt độ dầu động cơ.
ECM/PCM nhận biết tình trạng động cơ từ các cảm biến CPK, cảm biến MAP, cảm biến TP, và cảm biến BARO au đó ECM/C M tính tốn góc phối khí tối ưu cho trục cam.
ECM/PCM so sánh góc phối khí tối ưu với góc phối khí thực tế nhờ các tín hiệu phản hồi từ cảm biến CM và TDC au đó nó ẽ gửi tín hiệu điều khiển tới VTC OCV sau khi tính tốn.
a. Điều khiển biến thiên pha phối khí (i-VTEC 3 cị mổ).
Hệ thống VTC được thiết kế trên trục cam nạp thay đổi liên tục pha phối khí của trục cam. Hệ thống này làm việc với hệ thống VTEC nhằm nâng cao hiệu quả của cò mổ ơ cấp, thứ cấp và trung gian. Thời điểm mở van được điều khiển biến thiên liên tục, mở sớm hoặc muộn để phù hợp với từng chế độ
hoạt động của động cơ. ơ đồ dưới đ y cho thấy độ nâng van và thời điểm nâng van biến thiên ở phạm vi tốc độ động cơ thấp và tốc độ động cơ cao.
VTC hiệu chỉnh pha 50° VTC hiệu chỉnh pha 50° 7 .1 m m 6 .9 m m 7 .2 m m 7 .0 m m TDC XẢ NẠP VTC hiệu chỉnh pha 50° 1 0 .7 m m 1 2 .0 m m VTC hiệu chỉnh pha 50° TDC XẢ NẠP
a) Khi tốc độ động cơ thấp b) Khi tốc độ động cơ cao. Hình. Hệ thống i-VTEC 3 cò mổ thay đổi thời điểm nâng và độ nâng van. b. Điều khiển biến thiên pha phối khí (i-VTEC 2 cị mổ).
Tương tự như i-VTEC 3 cò mổ, nhưng trên trục cam được thiết kế với 2 vấu cam có độ cao chênh lệch lớn.
VTC hiệu chỉnh pha 50° TDC 9.5 m m 9 .2 m m chỉnh pha 50° XẢ NẠP VTC hiệu chỉnh pha 50° TDC VTC hiệu chỉnh pha 50° XẢ NẠP 9 .5 m m 9 .2 m m VTC hiệu 1 .8 m m
a) Khi tốc độ động cơ thấp. b) Khi tốc độ động cơ cao
Hình. Hệ thống i-VTEC 2 cị mổ thay đổi thời điểm nâng và độ nâng van.
) ECM điều khiển hoạt động của hệ thống i-VTEC.
Khi động cơ khơng hoạt động, lị o đ y chốt khóa khóa bộ chấp hành