Hình 4.11 Hệ thống điều khiển
Van điều khiển dầu
Hướng góc làm trễ Hướng góc làm sớm Hướng di chuyển ti van Tới khoang làm trễ Tới khoang làm sớm Lò xo Đường hồi Đường hồi Từ bơm Ti van ECU CKP MAP TP CMP
ECU động cơ xác định tình trạng của động cơ bằng sự phản hồi từ các tín hiệu cảm biến, gởi tín hiệu nhiệm vụ đến van điều khiển cung cấp dầu cho sự phản hồi của tình trạng động cơ và điều khiển vị trí của van ống. Khi động cơ dừng lại, van ống sẽ đặt góc trễ lớn nhất nhờ áp suất thủy lực. Van điều khiển cung cấp dầu phân phối áp suất thủy lực để làm chậm lại hoặc đẩy nhanh góc cháy, hoặc thay đổi liên tục pha phối khí của trục cam hút trong từng giai đoạn từ góc sớm đến góc trễ
Điều khiển thông tin phản hồi : ECU động cơ nhận biết các tín hiệu cảm
biến khác nhau và tính toán cân chỉnh thích hợp nhất cho tình trạng hoạt động, và chỉ đạo van điều khiển cung cấp dầu. Việc thời điểm đóng mở thực sự được nhận biết từ tín hiệu cảm biến vị trí trục cam nạp, và điều khiển thông tin phản hồi cho phù hợp với mục đích điều chỉnh thời điểm đóng mở xupap.
a. Góc quay sớm
Van điều khiển cung cấp dầu qua van ống làm tăng sớm góc quay nhờ một tín hiệu điều khiển góc quay từ ECU động cơ. Áp suất thủy lực từ thân máy được cung cấp cho buồng bánh răng góc quay sớm, cánh rôto di chuyển về phía góc quay sớm, và góc quay của trục cam hút tăng.
Hình 4.12 Góc quay sớm
b. Góc quay trễ
0 12V
Van điều khiển dầu
ECU
Hướng di chuyển ty van
Tỉ lệ hiệu dụng xung điều khiển Trục cam nạp Hướng góc quay sớm Bánh đai VVT Cánh rôto Buồng làm trễ Buồng làm sớm
Dầu từ van điều khiển qua van ống điều khiển sẽ đi vào trong buồng hướng góc trễ nhờ một tín hiệu điều khiển góc quay từ ECU động cơ. Áp suất thủy lực từ thân máy được đặt vào buồng hướng góc trễ bánh răng V.V.T, cánh rôto di chuyển về phía góc quay trễ, và góc quay của trục cam hút bị giảm lại.
Hình 4.13 Góc quay trễ
c. Khi trục cam ở vị trí giữ
Khi mà góc pha thực tế đạt đến góc pha đích, góc buồng góc quay sớm và góc buồng quay trễ với áp suất thủy lực được duy trì, như góc pha của trục cam nạp. Khi điều này xảy ra, dầu được van điều khiển cung cấp điều khiển sao cho góc pha thực tế giống như góc pha đích (góc pha lý thuyết).
Cánh rôto Bánh đai VVT
Van điều khiển dầu
Trục cam nạp
ECU
12V
Tỉ lệ hiệu dụng xung điều khiển Buồng làm trễ
0V
Buồng làm sớm Cánh rôto Bánh đai VVT
Van điều khiển dầu
Buồng làm trễ
Trục cam nạp
Hướng di chuyển ty van ECU
12V
Tỉ lệ hiệu dụng xung điều khiển Hướng
góc quay trễ
0V
Hình 4.14 Vị trí giữ 4.3.3 Biểu đồ các chế độ hoạt động 2 4 3 1 Tốc độ động cơ Tải động cơ 0
Tiêu thụ nhiên liệu thấp ở chế độ tốc độ động cơ thấp + tải nhẹ
Góc trùng điệp giảm để ổn định tốc độ cầm chừng
Tiêu thụ nhiên liệu thấp ở chế độ tốc độ động cơ + tải trung bình
Góc trùng điệp được tăng lên để giảm hiện tượng mất bơm, tăng tuần hoàn khí thải EGR giúp tiết kiệm nhiên liệu, thời điểm đóng xupap xả được làm trễ lại (hay xupap xả mở gần ĐCD) để tăng công giãn nở trên
Góc sớm tối đa
Góc trùng điệp Góc quay trục khuỷu
Độ nâng xupap Góc cam xả Góc cam hút Góc sớm tối đa Góc trễ tối đa Góc trễ tối đa 1 2
Góc trùng điệp Góc quay trục khuỷu
Độ nâng xupap Xả Hút Góc sớm tối đa Góc trễ tối đa
đồ thị p-v. Trên biểu đồ nét đứt thể hiện pha phân phối khí sau khi điều chỉnh.
Mômen xoắn cao hơn ở tốc độ thấp
Do tốc độ động cơ thấp nên thời điểm đóng xupap hút được làm sớm lại để đảm bảo hòa khí nạp vào vừa đủ (cải thiện hiệu suất thể tích nạp)
Công suất cao hơn ở tốc độ cao
Thời điểm đóng xupap hút được làm trễ lại để lợi dụng quán tính của dòng khí nạp ở tốc độ cao làm tăng hiệu suất thể tích hòa khí nạp vào xylanh.
3
4
Góc trùng điệp lớn Góc quay trục khuỷu Độ nâng xupap
Sau khi điều chỉnh Xupap
xả đóng trễ tối đa
Xả Hút
Góc trùng điệp Góc quay trục khuỷu
Độ nâng xupap
Xả đóng trễ để tăng công giãn nở
Xả Hút Hút đóng sớm đảm bảo hòa khí nạp vừa đủ Góc quay trục khuỷu Độ nâng xupap Sau khi điều chỉnh
Xupap hút đóng trễ để tăng hòa khí
nạp
4.4 Đồ thị công suất và mômen
Đồ thị tiêu hao nhiên liệu
Tốc độ động cơ (vòng/phút) KW N m. Mômen Công suất Trọng lượng xe (Kg) T iê u th ụ nh iê n li ệu ( km /l ) Phun trước xupap nạp
Tiêu chuẩn tiêu thụ nhiên liệu 2010
Phun trước xupap nạp Phun trực tiếp GDI
Phun trực tiếp GDI
Tối ưu của hệ thống MIVEC
• Tăng môment xoắn và công suất ra ở mọi tốc độ. • Tăng sự ổn định tốc độ cầm chừng.
• Giảm sự tiêu thụ nhiên liệu và giảm lượng ô nhiễm.
Những cải thiện ở môment ở tốc độ thấp và trung bình :
Bằng cách làm cho xupap hút đóng nhanh hơn ở tốc độ thấp và trung bình của động cơ, nó có thể điều khiển hỗn hợp nạp vào trở lại ống góp hút, làm gia tăng công suất của khí nạp, và tăng thêm môment xoắn ở tốc độ thấp và trung bình.
Làm cho xupap hút mở ra sớm nghĩa là có góc trùng điệp lớn, làm tăng việc tuần hoàn khí thải EGR, khí cháy trong xylanh được luân hồi lại cùng với hòa khí sạch tràn vào. Việc này giúp giảm nhiệt độ buồng đốt giảm NOx đốt hoàn toàn hòa khí chưa cháy hết làm giảm ô nhiễm của khí thải và tiết kiệm nhiên liệu.
Những cải thiện ở tốc độ cao : công suất riêng được cải thiện nhờ sự đóng chậm của xupap hút, và sử dụng lực quán tính của luồng khí nạp.
Tăng sự ổn định tốc độ cầm chừng : bằng cách giảm góc trùng điệp, sự cháy có thể ổn định bằng việc điều khiển khí nạp trở về ống góp hút hút.
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).
0 228 2360 0 104 1240 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 Xupap xả Xupap hút Góc sớm tối đa Góc mặc định-trễ
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 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
Loại động cơ Loại VANOS Điều chỉnh vô cấp Solenoid
M50TU Single Không 1 solenoid on/off
M52 Single Không 1 solenoid on/off
M52TU Double Có 2 solenoid pwm
M54 Double Có 2 solenoid pwm N52 Double Có 2 solenoid pwm S50 Single Có 2 solenoid pwm Sớm Trễ Hồi Từ bơm
S50 Double Có 4 solenoid pwm
S52 Single Không 1 solenoid on/off
S54 Double Có 4 solenoid pwm
M62TU Single Có 2 solenoid pwm
N62 Double Có 4 solenoid pwm
S62 Double Có 8 solenoid pwm + 1 pwm solenoid điều áp
S85 Double Có 4 solenoid pwm + 1 pwm solenoid điều áp
N73 Double Có 4 solenoid pwm
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:
Đĩa xích trục cam
Bánh răng nghiêng của đĩa xích và trục then hoa
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 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.
Hình 5.5 Làm trễ thời điểm phối khí
A
B C
A
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
Mô tơ điện
Trục cam Đòn dẫn Trục vít bánh vít
Đòn gánh
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 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 tăngthêm 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