Hệ thống 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 hoạt động của động cơ dựa trên tín hiệu từ các cảm biến.
Khi van điều phối được đặt ở vị trí như trên hình vẽ, bộ ECU của động cơ điều khiển áp suất dầu tác động lên khoang cánh gạt phía làm sớm thời điểm phối khí để quay trục cam nạp về chiều làm sớm thời điểm phối khí.
Hình 2.6 Van điều phối dầu ở vị trí phía làm sớm.
b. Làm muộn thời điểm phối khí :
Khi ECU đặt van điều phối trục cam ở vị trí như trong 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.
Hình 2.7 Van điều phối dầu ở vị trí phía làm muộn
c. Giữ ổn định :
ECU động cơ tính toán góc phối khí chuẩn theo tình trạng vận hành. Sau khi đặt thời điểm phối khí chuẩn van điều khiển dầu phối khí trục cam duy trì đường dầu đóng như được chỉ ra trên hình vẽ để giữ thời điểm phối khí hiện tại.
Hình 2.8 Van điều phối dầu ở vị trí ổn định
• Thời điểm phối khí được điều khiển như sau :
Khi nhiệt độ thấp, khi tốc độ thấp ở tải nhẹ, hay khi tải nhẹ :
Thời điểm phối khí của trục cam nạp được làm trễ lại và độ trùng điệp xupap giảm đi để giảm khí xả chạy ngược lại phía đường nạp. Điều này làm ổn định chế độ không tải và cải thiện tính kinh tế nhiên liệu và tính khởi động.
Khi tải trung bình, hay khi tốc độ thấp và trung bình ở tải nặng :
Thời điểm phối khí được làm sớm lên và độ trùng điệp xupap tăng lên để tăng lượng khí xả luân hồi nội bộ và giảm tổn thất khí động do đó cải thiện tính kinh tế nhiên liệu và giảm nồng độ khí xả độc hại. Ngoài ra, cùng lúc đó thời điểm đóng xupap nạp được đẩy sớm lên để giảm hiện tượng khí hỗn hợp quay ngược lại đường nạp và cải thiện hiệu quả nạp
Khi tốc độ cao và tải nặng :
Thời điểm phối khí cũng sớm lên như trường hợp trên nhưng ở mức cao hơn. Thời điểm phối khí xupap nạp thay đổi thực tế theo đúng thời điểm tính toán bằng cảm biến vị trí trục cam và được điều khiển bằng ECU.
2.3. Công nghệ VVTL-i 2.3.1 Mô tả
Hệ thống VVTL-i dựa trên hệ thống VVT-i và áp dụng một cơ cấu chuyển đổi vấu cam để thay đổi hành trình của xupap nạp và xả. Điều này cho phép đạt được công suất cao mà không ảnh hưởng đến tính kinh tế của nhiên liệu hay ô nhiễm khí xả.
Cấu tạo và hoạt động của hệ thống VVTL-i về cơ bản giống như hệ thống VVT-i. Việc chuyển đổi giữa hai vấu cam có biên dạng khác nhau dẫn đến làm thay đổi hành trình của xupap.
Trong cơ cấu chuyển vấu cam, ECU động cơ điều khiển chuyển đổi giữa 2 vấu cam nhờ van điều khiển dầu VVTL dựa trên các tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ nước làm mát và cảm biến vị trí trục khuỷu.
Đến cơ cấu chuyển vấu cam
Xả Áp suất dầu Ti van
Hình 2.9 Hệ thống VVTL-i
2.3.2 Cấu tạo
Các bộ phận cấu thành hệ thống VVTL-i gần giống như những bộ phận của hệ thống VVT-i. Đó là van điều khiển dầu cho VVTL, các trục cam và cò mổ.
Hình 2.10 Cấu tạo van điều khiển dầu VVTL
Van điều khiển dầu cho VVTL điều khiển áp suất dầu cấp đến phía cam tốc độ cao của cơ cấu chuyển vấu cam bằng thao tác điều khiển vị trí van ống do ECU động cơ thực hiện.
Trục cam và cò mổ: để thay đổi hành trình xupap, người ta chế tạo trên trục cam 2 loại vấu cam, một loại vấu cam ứng với tốc độ thấp và vấu cam tốc độ cao cho mỗi xilanh.
Hình 2.11 Trục cam có hai vấu cam
Cơ cấu chuyển vấu cam được lắp bên trong cò mổ giữa xupap và vấu cam. Áp suất dầu từ van điều khiển dầu của VVTL đến lỗ dầu trong cò mổ và áp suất này đẩy chốt hãm bên dưới chốt đệm. Nó cố định chốt đệm và ấn khớp cam tốc độ cao.
Hình 2.12 Cấu tạo cơ cấu chuyển vấu cam
Khi áp suất dầu ngừng tác dụng, chốt hãm được trả về bằng lực của lò xo và chốt đệm được tự do. Điều này làm cho chốt đệm có thể di chuyển tự do theo hướng thẳng đứng và vô hiệu hóa vấu cam tốc độ cao.
2.3.3 Hoạt động
Trục cam nạp và xả có các vấu cam với 2 hành trình khác nhau cho từng xylanh, và ECU động cơ chuyển những vấu cam này thành vấu cam hoạt động bằng áp suất dầu.
Hình 2.13 Điều khiển ở tốc độ thấp, trung bình, cao
Mạch dầu điều khiển ở tốc độ thấp và trung bình(tốc độ động cơ dưới 6000 vòng/phút)
Hình 2.14 Mạch điều khiển ở tốc độ thấp và trung bình (tốc độ động cơ dưới 6000 vòng/phút)
Như hình minh họa ở trên, van điều khiển dầu mở phía xả. Do đó, áp suất dầu không tác dụng lên cơ cấu chuyển vấu cam.
Hình 2.15 Cơ cấu chấp hành
Áp suất dầu không tác dụng lên chốt chặn. Do đó, chốt chặn bị đẩy bằng lò xo hồi theo hướng nhả khóa. Như vậy, chốt đệm sẽ lặp lại chuyển động tịnh tiến vô hiệu hóa. Nó sẽ dẫn động xupap bằng cam tốc độ thấp và trung bình.
Tốc độ cao (tốc độ động cơ trên 6000 vòng/phút, nhiệt độ nước làm mát cao hơn 600 C).
Hình 2.16 Mạch điều khiển ở tốc độ cao
Như trong hình vẽ bên trên, phía xả của van điều khiển dầu được đóng lại sao cho áp suất dầu tác dụng lên phía cam tốc độ cao của cơ cấu chuyển vấu cam. Lúc này bên trong cò mổ, áp suất dầu đẩy chốt chặn đến dưới chốt đệm để giữ chốt đệm và cò mổ. Do đó, cam tốc độ cao ấn xuống cò mổ trước khi cam tốc độ thấp và trung bình tiếp xúc với con lăn. Nó dẫn động các xupap bằng cam tốc độ cao. ECU động cơ đồng thời phát hiện rằng vấu cam đã được chuyển sang vấu cam tốc độ cao dựa trên tín hiệu từ công tắc áp suất dầu.
Xả Nạp Mở trước ĐCD Đóng sau ĐCT Độ mở Độ nâng (mm) Mở trước ĐCT Đóng sau ĐCD Độ mở Độ nâng (mm) Tốc độ thấp 34° 14° 228° 7,6 -10 - 33° 58 - 15° 228° 7,6 Tốc độ cao 56° 40° 276° 10,0 15- 58° 97 - 54° 292° 11,2
Hình 2.17 Sự thay đổi các thông số động cơ 2ZZ-GE
Chương 3 : HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÍ THÔNG MINH TRÊN XE HONDA
3.1 Giới thiệu và phân loại
Hệ thống điều khiển xupap biến thiên của hãng HONDA mang tên công nghệ VTEC ( Variable Valve Timing and Lift Electronic Control System ) do
Ikuo Kajtani phát minh. VTEC có những đặc trưng kỹ thuật mà có thể thay đổi
thời gian mở xupap và độ nâng của xupap phụ thuộc vào các thông số tốc độ động cơ, tốc độ di chuyển của xe, nhiệt độ nước làm mát và tải động cơ... Khả năng này làm cho đặc tính sự cháy có thể đáp ứng được các điều kiện hoạt động của động cơ, vì vậy vừa tiết kiệm nhiên liệu vừa đạt được hiệu suất cao và giảm thiểu khí thải gây ô nhiễm môi trường.
Mỗi xupap trong động cơ được điều khiển bởi một số vấu cam với biên dạng riêng biệt. Tất cả các cam đó đều được lắp đặt trên một trục cam và hệ thống điều khiển điện tử điều khiển hoạt động của chúng dựa trên các điều kiện hoạt động của động cơ bằng cách dùng áp suất thủy lực. Tùy theo điều kiện làm việc cụ thể của động cơ mà sử dụng loại vấu cam phù hợp.
Cam tốc độ cao
Độ nâng của cam Khoảng thời gian mở của cam
Khoảng thời gian mở của cam
Cam tốc độ thấp
Độ nâng của cam
Hình 3.1 Cấu tạo các vấu cam
Ở dải tốc độ thấp, biên dạng cam tốc độ thấp được sử dụng, thời gian mở xupap được tối ưu hóa nhằm đạt được mômen xoắn cần thiết để xe có thể di chuyển tốt nhất ở vòng tua thấp, đồng thời tiết kiệm nhiên liệu.
Ở dải tốc độ cao, biên dạng cam tốc độ cao thay thế, cho độ mở xupap và thời gian mở xupap được tăng lên, không khí được nạp vào nhiều hơn. Hệ thống cung cấp cho xe khả năng di chuyển tốt ở tốc độ cao và tăng hiệu suất động cơ.
Các dạng VTEC: hiện nay có 6 dạng hệ thống VTEC kết cấu tuy khác nhau nhưng nói chung chúng giống nhau về mặt nguyên lý vì tất cả đều sử dụng loại trục cam có vấu kép, một vấu dùng khi tốc độ thấp và một vấu dùng ở tốc độ cao. Ở dải tốc độ thấp, các xupap mở ít và thời gian mở ngắn lại do biên dạng của vấu cam giảm.
DOHC VTEC: Ứng dụng này của công nghệ VTEC có các cam tốc độ
cao và tốc độ thấp với các biên dạng khác nhau, được áp dụng trên cả trục cam nạp và trục cam xả. Khi tốc độ động cơ thấp và trung bình, các xupap nạp và xupap xả được điều khiển bởi các cam tốc độ thấp. Các cam tốc độ cao sẽ điều khiển các xupap này khi tốc độ động cơ cao. Sự phối hợp hoạt động của các cam này cho phép động cơ tạo được mô men lớn ở tốc độ vòng tua thấp và công suất cao ở tốc độ vòng tua cao.
SOHC VTEC: Cũng giống như DOHC, cam tốc độ thấp điều khiển các
xupap khi tốc độ động cơ thấp và trung bình, và cam tốc độ cao điều khiển khi tốc độ động cơ cao. Nhưng với SOHC thì điều này chỉ áp dụng cho các xupap nạp, kỹ thuật này giúp động cơ có được công suất cao và tiết kiệm nhiên liệu.
New VTEC: Các cam tốc độ cao và tốc độ thấp với các biên dạng khác
nhau được áp dụng với các trục cam nạp, cam tốc độ cao được dùng khi tốc độ vòng tua cao trong khi cam tốc độ thấp được dùng khi tốc độ vòng tua thấp và
trung bình. Nhưng trong sự áp dụng này các xupap nạp thứ cấp được giữ cố định với độ nâng nhỏ để hòa khí không đọng lại trên ống góp hút khi tốc độ xe thấp trong khi các xupap nạp cơ bản cung cấp không khí chủ yếu cho các xylanh. Kết hợp với sự tinh tế trong hình dáng của các buồng đốt và các đường ống góp, việc này tạo ra một vòng chuyển động xoáy trong mỗi buồng đốt để làm cho sự cháy đạt hiệu quả hơn. Động cơ New VTEC có thể tạo ra công suất và mô men lớn trong khi vẫn tiết kiệm nhiên liệu.
VTEC ba giai đoạn: Ba giai đoạn khác nhau của hệ thống VTEC tương
ứng cho tốc độ thấp (một xupap được điều khiển bởi cam tốc độ thấp), tốc độ trung bình (tất cả các xupap được điều khiển bằng cam tốc độ trung bình), và tốc độ cao (tất cả các xupap được điều khiển bởi cam tốc độ cao). Sự thiết kế này cho phép động cơ sử dụng nhiên liệu hiệu quả ở tốc độ vòng tua thấp, tạo được mô men lớn ở tốc độ vòng tua trung bình, công suất cao ở tốc độ vòng tua cao.
VTEC-E: Trục cam của xupap nạp có các cam tốc độ thấp và trung bình
với các biên dạng riêng biệt. Ở tốc độ vòng tua thấp, xupap thứ cấp được điều khiển bởi cam tốc độ thấp (mặc dù trong thực tế nó hầu như không chuyển động); Tất cả các xupap được điều khiển bởi cam tốc độ trung bình khi tốc độ vòng tua trung bình. Kết quả là động cơ tiêu thụ nhiên liệu một cách hiệu quả đặc biệt trong khi vẫn duy trì được khả năng điều khiển ở mức cao.
i-VTEC: Hệ thống i-VTEC hoàn thành sự mở rộng công suất và mômen,
hiệu quả sử dụng nhiên liệu cao hơn và giảm khí thải nhờ sự điều khiển góc cam so với hệ thống VTEC thay đổi thời gian mở xupap và độ nâng của xupap trong hai hoặc ba giai đoạn. i-VTEC bổ xung thêm cơ cấu VTC (Bộ điều khiển thời gian thay đổi) tiếp tục thay đổi góc cam nạp từ góc chậm nhất sang góc tối ưu nhất.
3.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của SOHC VTEC3.2.1 Cấu tạo 3.2.1 Cấu tạo
Đây là dạng cơ bản nhất của hệ thống VTEC bao gồm những bộ phận sau :
• Trục cam • Các cò mổ
• Cụm chuyển động êm • Van ống
• Hệ thống điều khiển (ECM)
Trục cam: Trục cam của động cơ SOHC VTEC có 3 loại cam, được gọi
là cam cơ bản, cam giữa, và cam thứ cấp. Những cam này có những biên dạng khác nhau để cung cấp thời gian mở xupap và độ nâng khác nhau.
Hình 3.2 Cấu tạo của trục cam SOHC VTEC
Hình 3.3 Cấu tạo của SOHC VTEC
1-Pittông đồng bộ A. 2-Cụm chuyển động êm. 3-Pittông đồng bộ B. 4-Cò mổ giữa
5-Cò mổ cơ bản. 6-Cò mổ thứ cấp. 7-Các xupap nạp. 8-Trục cam
Cam giữa
Cam thứ cấp Cam cơ bản
Cam xả Cổ trục
Các cò mổ: cò mổ cơ bản, cò mổ giữa, và cò mổ thứ cấp được tổ hợp lại
trên một hệ cơ học. Các cò mổ cơ bản và thứ cấp tiếp xúc trực tiếp với các xupap. Nhờ hoạt động của các pittông đồng bộ, pittông dừng và lò xo, sự chuyển động riêng biệt của các cò mổ có thể liên kết với nhau hoặc tách rời nhau trong quá trình hoạt động của động cơ.
Hình 3.4 Cấu tạo cò mổ và pittông
1-Trục cam. 2-Pittông dừng 3-Cò mổ thứ cấp. 4-Cò mổ giữa. 5-Cò mổ cơ bản. 6-Pittông đồng bộ B. 7 Pittông đồng bộ A
Cụm chuyển động êm: Cụm chuyển động êm bao gồm pittông chuyển
động êm, hướng chuyển động êm, các lò xo chuyển động êm A và B. Cụm chuyển động êm tiếp xúc liên tục với cò mổ giữa. Khi vòng tua chậm, cụm chuyển động êm loại trừ các chuyển động không cần thiết của cò mổ giữa, khi vòng tua cao, nó có tác dụng như là một lò xo bổ trợ cho sự hoạt động hài hòa.
1 2 3 5 7 4 6 1 2 7 3 4 5 6
Hình 3.5 Cấu tạo cụm chuyển động êm
1-Cụm chuyển động êm. 2- Cò mổ giữa. 3- Lò xo chuyển động êm A
4- Hướng chuyển động êm. 5- Pittông chuyển động êm. 6- Lò xo chuyển động êm B
7-Trục cam
Van ống: Cụm van ống được lắp đặt bên cạnh sườn của đầu xylanh. Nó
bao gồm tấm chắn, solenoid, và van ống. Chức năng của van này là để điều khiển dòng dầu từ bơm dầu đến các pittông đồng bộ. Khi solenoid được kích hoạt, van ống sẽ mở cho dòng dầu đi qua và các pittông đồng bộ sẽ bị tác động bởi một áp
lực thủy lực, như vậy đã kích hoạt hệ thống VTEC. Công tắc ngắt lực được lắp đặt ở phía sau của van ống. Nó cảm nhận áp suất của dòng dầu tác dụng lên các
pittông đồng bộ và cung cấp thông tin phản hồi đến ECM.
Hình 3.6 Cấu tạo van ống
1- Solenoid. 2- Công tắc ngắt lực. 3- Van ống.
1
2 3
Hệ thống điều khiển (ECM): Hệ thống VTEC được điều khiển bởi
PGM-FI ECM. Bằng cách dùng các cảm biến, ECM kiểm tra tốc độ động cơ, mức độ tải động cơ, vận tốc xe, nhiệt độ dung dịch nước làm mát động cơ và nhiều yếu tố khác. Sau đó, dựa theo những thông số này, ECM xác định được điều kiện làm việc hiện tại của động cơ và kích hoạt solenoid khi cần thiết. (Van solenoid điều khiển áp lực thủy lực cung cấp đến van ống.)
Hình 3.6 Cấu trúc hệ thống điều khiển
3.2.2 Nguyên lý hoạt động
Khi tốc độ động cơ thấp (hệ thống không được kích hoạt): Hệ thống
VTEC không được kích hoạt khi tốc độ động cơ thấp. (Tuy nhiên, rất nhiều yếu tố được kiểm tra trong khi động cơ đang hoạt động. Nói đơn giản, ở đây các thông số đó được giám sát.) Van ống được đóng lại và không có áp lực thủy lực