FIAT là hãng xe hơi trên thế giới phát minh ra hệ thống có thể thay đổi thời điểm phối khí bao gồm sự thay đổi về độ nâng van.
FIAT là hãng xe hơi trên thế giới phát minh ra hệ thống có thể thay đổi thời điểm phối khí bao gồm sự thay đổi về độ nâng van.
Được phát triển bởi Giovanni Torazza vào cuối những năm 1960, hệ thống này đã sử dụng áp suất bằng thủy lực để làm thay đổi điểm tựa của cam cho phù hợp ( phát minh US 3.641.988 ).Áp suất thủy lư này thay đổi tuỳ theo tốc độ động cơ và áp suất của van nạp. Độ mở của van có thể thay đổi tới 37%.
Hình 2.7: Cơ cấu thay dổi thời điểm của hãng FIAT- Distribution Torazza (1970).
Hình 28 : . Các loại cơ cấu thay đổi cổ điển.
Vào tháng 9 năm 1975, hãng General Motor phát minh ra hệ thống có ý định là thay đổi độ nâng van. GM đã chú ý đến họng của van nạp nhằm giảm bớt lượng nhiệt thoát ra. Bằng cách giảm đến mức tối thiểu lượng nâng van tại tải trọng thấp mà vẫn giữ được tốc độ nạp cao, do đó làm nhỏ lại họng nạp. GM đã không giải quyết được vấn đề khi hoạt động ở độ nâng rất thấp nên dự án đã bị bỏ dở. Hãng Alfa Romeo là hãng sãn xuất xe đầu tiên đã sử dụng hệ thống thay đổi thời điểm độ nâng van trong sản xuất xe (phát minh US 4.231.330). Chiếc xe Alfa Romeo Spider 2.0L năm 1980 đã sử dụng hệ thống VVT với hệ thống phun xăng Spica và được bán ở Mỹ. Về sau nó cũng còn được sử dụng trên model xe Alfetta 2.0 Quandrifoglio Oro vào năm 1983 cũng như các loại xe khác. Nissan cũng phát triển hệ thống VVT riêng của họ vớiđộng cơ VG30DE(TT) cho loại xe Concept Mid-4 của họ. Nissan đã tậptrung chính vào việc sản xuất hệ thống NVCS của mình (Nissan Valve- Timing Control System) tại tốc độ momen xoắn nhỏ và trung bình, bởi vì phần lớn động cơ không hoạt động nhiều ở tốc độ cao. Hệ thống NVCS này có thể đáp ứng được cả hai yêu cầu là tốc độ cầm chừng
đầu tiên sử dụng kỹ thuật điều khiển VVT bằng điện tử.
Hình 2.9 : Cơ cấu trên động cơ Nissan Maxima.
Với bước tiếp theo là vào năm 1989, Honda với hệ thống VTEC (Variable Valve Timing And Lift Electronic Control). Honda bắt đầu sản xuất hệ thống này nhằm làm cho động cơ có khả năng hoạt động trên các chế độ của cam khác nhau, bằng cách điều chỉnh lại trong việc thiết kế. Một chế độ được thiết kế để mở van tại tốc độ động cơ thấp, được quy định bởi một phương pháp có lợi khi cần sự tiêu hao nhiên liệu thấp và phát ra công suất nhỏ. Ở chế độ nâng cao, chế độ thời gian hoạt động dài, và hoạt động suốt khi tốc độ cao nhằm gia tăng công suất đầu ra. Vào năm 1992 hãng BMW đã giới thiệu hệ thống VANOS (Variable Nockenwellen Steuerung). Nó cũng tương tự như hệ thống NVCS của Nissan, nó có thể cung cấp sự thay đổi về thời gian cho trục cam nạp theo từng bước hoặc theo từng giai đoạn. Hệ thống VANOS này có sự khác biệt là nó có thể cung cấp thêm một bước cho cả ba giai đoạn.
Hình 2.10 : Cơ cấu của hãng BMW.
Sau đó vào năm 1998, hệ thống Double VANOS được giới thiệu, nó có thể điều khiển sự tăng mức độ đốt cháy nhiên liêu một cách to lớn, tăng công suất, mômen xoắn và đưa ra mức độ không tải tốt hơn,tiết kiệm nhiên liệu hơn.
Hệ thống Double VANOS này là hệ thống đầu tiên điều khiển bằng điện tử, điều khiển sự hoạt động liên tục của cả van nạp và van xả
Hình 2.11 : Cơ cấu Double VANOS của hãng BMW.
•
N Năm 2001, hãng BMW giới thiệu hệ thống Valvetronic,đây là hệ thống duy nhất có thể làm thay đổi độ nâng van nạp một cách liên tục, cộng thêm thời gian cho cả hai van nạp và xả. Hệ thống điều khiển chính xác đã chú ý nhiều hơn đến nhiệm vụ của van nạp để điều khiển hoàn toàn van nạp, chú ý đến sự cần thiết của van tiết lưu và giảm sự tổn thất lớn của bơm.
vào năm 2004. Động cơ được sử dụng là động cơ 5.4L 3 valve Triton.
Vào năm 2005 hãng General Motor đã đưa ra hệ thống Variable Valve Timing cho động cơ I-head V6, gồm có LZE và LZ4.
• I 2.2.2. Cấu tạo : • i •
Trên mỗi chiếc xe Toyota, chúng ta luôn thấy có dòng chữ VVT-i nằm ở vị trí hai bên cửa xe. Dòng chữ viết tắt này có ý nghĩa là gì ? Chúng ta cùng tìm hiểu VVT-i.
VVT-i là chữ viết tắt của từ Variable Valve Timing with intelligence - một hệ thống thiết kế phun xăng của hãng Toyota theo nguyên lý điện – thủy lực.
Cơ cấu này tối ưu hóa góc phối khí của trục cam nạp dựa trên chế độ làm việc
của động cơ phối hợp với các thông số điều khiển chủ động.
Hiệu suất làm việc của động cơ phụ thuộc rất nhiều vào hoạt động cung cấp nhiên liệu. Hệ thống điều khiển hệ thống van nạp biến thiên VVT-i được thiết kế với mục đích nâng cao mô men xoắn của động cơ, cắt giảm tiêu thụ nhiên liệu và khí thải độc. Các bộ phận của hệ thống gồm: Bộ xử lý trung tâm ECU 32 bit, bơm và đường dẫn dầu, bộ điều khiển phối khí (VVT) với các van điện, các cảm biến: VVT, vị trí bướm ga, lưu lượng khí nạp, vị trí trục khuỷu, nhiệt độ nước. Ngoài ra, VVT-i thường được thiết kế đồng bộ với cơ cấu bướm ga điện tử ETCS-i, đầu phun nhiên liệu 12 lỗ và bộ chia điện bằng điện tử cùng các bugi đầu iridium.
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 về ECU để tính toán thông số phối khí theo yêu cầu chủ động. Trên cơ sở các yếu tố chủ động, hiệu chỉnh và thực tế, ECU sẽ tổng hợp được lệnh phối khí tối ưu cho buồng đốt. Như vậy, thay cho hệ thống cam kiểu cũ với độ mở xu-páp không đổi, VVT-i đã điều chỉnh vô cấp hoạt động của các van nạp. Độ mở và 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. Ngoài ra, còn một cảm biến đo nồng độ oxy dư đặt ở cụm góp xả cho biết tỉ lệ % nhiên liệu được đốt. Thông tin từ đây được gởi về ECU và cũng được phối hợp xử lý khi hiệu chỉnh chế độ nạp tối ưu nhằm tiết kiệm xăng và bảo vệ môi trường.
VVT-i sử dụng áp suất thủy lực để xoay trục cam nạp và làm thay đổi thời điểm phối khí. Điều này có thể làm tăng công suất, cải thiện tính kinh tế nhiên liệu và giảm khí xả ô nhiễm.Như trong hình minh họa, hệ thống này được thiết kế để điều khiển thời điểm phối khí bằng cách xoay trục cam trong một phạm vi so vưới góc quay của trục khuỷu để đạt được thời điểm phối khí tối ưucho các điều
khí được điều khiển như sau.
Hình 2.12 :Hệ thống VVT-i
• 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 lặp xupáp giảm đi để giảm khí xả chạy ngược lại phía 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 lặp xupáp tăng lên để tăng
• Khi tốc độ cao và tải nặng
Thời điểm phối khí được làm sớm lên và độ trùng lặp xupáp tăng lên để tăng EGR nội bộ và giảm mất mát do bơm. Điều này cải thiện ô nhiễm khí xả và tính kinh tế nhiên liệu. Ngoài ra, cùng lúc đó thời điểm đóng đường nạp và cải thiện hiệu quả nạp. Ngoài ra, điều khiển phản hồi được sử dụng để giữ thời điểm phối khí xupáp nạp thực tế ở đúng thời điểm tính toán bằng cảm biến vị trí trục cam.
Bộ chấp hành của hệ thống VVT-i bao gồm bộ điều khiển VVT-i dùng để xoay trục cam nạp, áp suất dầu dùng làm lực xoay cho bộ điều khiển VVT-i, và
1. Bộ điều khiển VVT-i
Hình 2.15 : Bộ điều khiển VVT-i
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 gửi từ phía làm sớm hay làm muộn trục cam nạp sẽ xoay các cánh gạt của bộ điều khiển VVT-i theo hướng chu vi để thay đổi liên tục thời điểm phối khí của trục cam nạp. Khi động cơ ngừng, trục cam nạp chuyển động đến trạng thái muộn nhất để duy trì khả năng khởi động. Khi áp suất dầu không đến bộ điều khiển VVT-i ngay lập tức sau khi động cơ khởi động, chốt hãm sẽ hãm các cơ cấu hoạt động của bộ điều khiển VVT-i để tránh tiếng gõ.
Ngoài loại trên, cũng có một loại mà píttông dọc chuyển theo hướng trục giữa các then xoắn của bánh răng bên ngoài (tương ứng vưới vỏ) và bánh răng trong (gắn trực tiếp vào trục cam) để làm xoay trục cam.
Hình 2.16 : Van điều khiển phối khí trục cam VVT - i
Van điều khiển dầu phối khí trục cam hoạt động theo sự điều khiển (Tỷ lệ hiệu dụng) từ ECU động cơ để điều khiển vị trí của van ống và phân phối áp suất dầu cấp đến bộ điều khiển VVT-i đế phía làm sớm hay làm muộn. Khi động cơ ngừng hoạt động, thời điểm phối khí xupáp nạp được giữ ở góc muộn tối đa. Hoạt động
Van điều khiển dầu phối khí trục cam chon đường dầu đến bộ điều khiển VVT-i tương ứng với độ lớn dòng điện từ ECU động cơ. 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 hoặc duy trì thời điểm phối khí. ECU động cơ tính toán thời điểm đóng mở xupáp tối ưu dưới các điều kiện hoạt động khác nhau theo tốc độ động cơ, lưu lượng khí nạp, vị trí bướm ga và nhiệt độ nước làm mát để điều khiển van điều khiển dầu phối khí trục cam. Hơn nữa, ECU dùng các tín hiệu từ cảm biến vị trí trục cam và
điều khiển phản hồi để đạt được thời điểm phối khí chuẩn.Hệ thống VVT-i là thiết kế phun xăng của hãng Toyota theo nguyên lý điện - thủy lực. Thông thường, thời điểm phối khí được cố định, những hệ thống VVT-i sử dụng áp suất thủy lực để xoay trục cam nạp và làm thay đổi thời điểm phối khí. Điều này có thể làm tăng công suất, cải thiện tính kinh tế nhiên liệu và giảm khí xả ô nhiễm.Như trong hình minh họa, hệ thống này được thiết kế để điều khiển thời điểm phối khí bằng cách xoay trục cam trong một phạm vi 400 so với 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.
2.2.3. Nguyên lý hoạt động:
1. Làm sớm thời điểm phối khí
Khi van điều khiển dầu phối khí trục cam được đặt ở vị trí như trên hình vẽ bằng ECU động cơ, 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 2.17 :Van điều phối dầu ở vị trí phía làm sớm .
Khi ECU đặt van điều khiển thời điểm phối khí trục cam ở vị trí như chỉ ra trong 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.
Hình 2.19 :Van điều phối dầu ở vị trí phía làm muộn
3. Giữ 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 2.20 :Van điều phối dầu ở vị trí ổn định .
Nếu bạn đã tìm hiểu về động cơ, hẳn các bạn đã biết về các xu páp điều khiển việc đưa hỗn hợp không khí/nhiên liệu vào động cơ và thoát ra ngoài qua hệ thống xả. Trục cam sử dụng các vấu cam tỳ lên các xu páp để mở chúng ra khi trục cam quay, các lò xo trên xu páp có nhiệm vụ đẩy chúng trở về vị trí cũ để đóng lại. Đây là một nhiệm vụ quyết định và có thể tạo ra ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất của động cơ ở tốc độ khác nhau.
bạn cách điều chỉnh trục cam của động cơ một cách hết sức ngắn gọn để động cơ hoạt động hiệu quả hơn ở những tốc độ khác nhau.
Khái niệm cơ bản về trục cam.
Bộ phận chính của một trục cam là các vấu cam. Khi trục cam quay tròn, các vấu cam sẽ điều khiển đóng mở các các xu páp nạp và xả ở thời điểm phù hợp với sự di chuyển của piston. Hình dạng của các vấu cam có liên quan trực tiếp đến cách thức động cơ làm việc ở các dải tốc độ khác nhau.
Để hiểu rõ điều này bạn hãy tưởng tượng rằng động cơ của chúng ta đang chạy vô cùng chậm chỉ khoảng từ 10 đến 20 vòng/phút (RPM) bởi vậy sẽ mất khoảng vài giây để piston hoàn thành một chu kỳ chuyển động. Nhưng trên thực tế thì một động cơ bình thường không thể chạy chậm như vậy được. Ở tốc độ thấp này, chúng ta có thể hiểu các vấu cam thực hiện chu trình như sau:
Chỉ khi piston bắt đầu chuyển động đi xuống trong hành trình nạp (từ điểm chết trên, TDC), xu páp nạp mới bắt đầu mở ra. Xu páp nạp sẽ đóng lại ngay khi piston đến điểm dưới cùng.
Xu páp xả sẽ mở ra ngay khi piston đến điểm dưới cùng (gọi là điểm chết dưới, BDC) ở cuối quá trình cháy và sẽ đóng lại khi piston hoàn thành quá trình xả khí.
Với thứ tự làm việc như vậy sẽ rất tốt cho động cơ chừng nào nó còn chuyển động ở tốc độ thấp như vậy. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu tốc độ vòng quay tăng lên. Chúng ta hãy xem.
Khi tăng số vòng quay động cơ ở lên khoảng 4000 vòng/phút, các xu páp sẽ phải mở và đóng 2000 lần mỗi phút hoặc 33 lần mỗi giây. Ở tốc độ này, piston di chuyển cực nhanh. Bởi vậy hỗn hợp không khí/nhiên liệu cũng lưu thông trong xilanh với tốc độ rất nhanh.
Khi xu páp nạp mở ra và piston bắt đầu hành trình nạp, hỗn hợp nhiên liệu/không khí bắt đầu gia tăng trong xilanh. Đúng lúc piston đến điểm cuối của hành trình nạp, hòa khí chuyển động vào xilanh với tốc độ khá nhanh. Nếu van nạp bất ngờ đóng lại, toàn bộ lượng hòa khí sẽ ngừng di chuyển và không đi vào xilanh nữa. Bằng cách để cho xu páp nạp đóng lại muộn hơn một chút, đà di chuyển nhanh của hòa khí vẫn còn duy trì sẽ đẩy hòa khí thêm vào trong xilanh đến khi piston bắt đầu hành trình nén. Bởi vậy động cơ chạy càng nhanh, hỗn hợp nhiên liệu/không khí cũng di chuyển càng nhanh và bởi vậy chúng ta càng phải để cho xu páp mở càng lâu hơn. Chúng ta cũng phải để cho xu páp nạp mở rộng hơn ở tốc độ cao, thông số này được gọi là khoảng đội của xu páp, nó bị chi phối bởi dạng hình học của vấu cam.
Hình ảnh động dưới đây đã cho thấy sự khác nhau ra sao về cách điều chỉnh thời điểm đóng mở xu páp đối với cam thông thường và cam đã có sự điều chỉnh. Chú ý kỳ xả (đường cong mầu đỏ) và kỳ nạp (đường cong mầu xanh) có