Hệ Thống Phân Phối Khí VVTi - 123doc

Kĩ thuật thay đổi thời điểm đóng mở xupap VVTi (Variable Valve Timing with Intelligence) áp dụng trên ô tô được phát triển bởi Toyota. Hệ thống VVTi được đề xuất thay thế cho hệ thống VVT từ năm 1991 bắt đầu trên động cơ 4AGE 20 Valve.

Variable Valve Timing with Intelligence

I Hệ thống VVT-i :

1.1 Giới thiệu :

Kĩ thuật thay đổi thời điểm đóng mở xupap VVT-i (Variable Valve Timing with Intelligence) áp dụng trên ô tô được phát triển bởi Toyota Hệ thống VVT-i được đề xuất thay thế cho hệ thống VVT từ năm 1991 bắt đầu trên động cơ 4A-GE 20 Valve

Hình I-1: Động cơ VVT-i

VVT-i được giới thiệu năm 1996, thay đổi thời điểm nạp bằng cách điều chỉnh quan hệ giữa hệ thống dẫn động trục cam và trục cam nạp Hiện nay công nghệ thay đổi thời điểm nạp cũng như

xả của Toyota gồm có VVT-i , VVTL-i và VVT-iE

1.2 Hệ thống VVT-i :

Hệ thống VVT-i ( Variable Valve Timing with Intelligence) sử dụng áp suất thủy lực để xoay trục cam nạp làm thay đổi thời điểm phối khí cho thích hợp với điều kiện làm việc của động cơ nhằm làm tăng hiệu suất, cải thiện tính kinh tế về nhiên liệu cũng như hạn chế khí xả ô nhiễm môi trường

Để thay đổi thời điểm phối khí cho phù hợp với điều kiện làm việc của động cơ ECM sẽ điều khiển bộ chấp hành sau khi đã tính toán các giá trị được gửi về từ các cảm biến của hệ thống như cảm biến vị trí trục khuỷu, cảm biến khối lượng khí nạp, cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến nhiệt

độ nước làm mát,tín hiệu tốc độ xe, cảm biến VVT

Về nguyên lý hoạt động sau khi nhận tín hiệu từ các cảm biến máy tính sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển bộ chấp hành hoạt động ở 3 chế độ: mở sớm, mở muộn, giữ vị trí sao cho thích hợp nhất

Hình I.2 : Các tín hiệu từ cảm biến về ECM

1.3 Hệ thống VVTL-i:

Năm 1998, Toyota đã nghiên cứu một công nghệ mới có thể thay đổi cả thời điểm và độ nâng của xupap, đó là công nghệ VVTL-i ( Variable Valve Timing and Lift with Intelligence) Hệ thống này là hệ thống phát triển nhất trong các thiết kế VVT hiện tại Nó bao gồm các chức năng sau:

- Làm thay đổi các thời điểm đóng mở xupap

- Làm thay đổi khoảng đội xupap và thời gian mở xupap

- Được thiết kế điều khiển cho cả xupap nạp và xupap thải

Hình I.3: Cấu trúc hệ thống VVTL-i

Khác với VVT-i ở hệ thống VVTL-i có 2 cam hành trình trên trục cam nạp, một cam hành trình ngắn và một cam hành trình dài Tùy theo tốc độ động cơ và điều kiện làm việc mà ECU sẽ đưa

ra tín hiệu để điều khiển cam hành trình ngắn hay dài Việc kết nối giữa cam hành trình dài với con đội (slipper follower) thông qua chốt trượt (sliding pin) được điều khiển bằng áp lực dầu Qua hình I.3 cho thấy cam hành trình dài hoạt động khi số vòng quay động cơ cao, thường là khi tốc độ động cơ trên 6000 vòng/phút

1.4 Hệ thống VVT-iE:

VVT-iE ( Variable Valve Timing – intelligent by Electric motor) là một công nghệ điều khiển thay đổi thời điểm xupap được thực hiện bằng môtơ điện Công nghệ này được Toyota sử dụng riêng cho hiệu xe Lexus Công nghệ này sử dụng bộ chấp hành điện để điều chỉnh và duy trì thời điểm cam nạp Sau hệ thống VVT-i thì chỉ có duy nhất hệ thống VVT-iE sử dụng bộ chấp hành điện Sau đó bộ chấp hành thủy lực ít được sử dụng cho cam nạp nhưng với cam thải thì nó vẫn còn được sử dụng

Hình I.4: Bố trí hệ thống VVT-iE trên trục cam nạp

 Về cấu trúc của VVT-iE gồm có:

- Cảm biến vị trí trục khuỷu

- Cảm biến vị trí trục cam

- Bộ khuếch đại tín hiệu EDU

- Động cơ điện

- Bộ giảm tốc

 Nguyên lý hoạt động:

ECU nhận tín hiệu từ các cảm biến và đưa tín hiệu đến đến EDU để điều khiển động cơ điện theo ba chế độ sau:

- Để duy trì thời điểm của trục cam, động cơ điện sẽ hoạt động ở cùng tốc độ với trục cam

- Để điều khiển sớm thời điểm trục cam, động cơ điện sẽ xoay nhanh hơn tốc độ của trục cam

- Để điều khiển muộn hơn thời điểm trục cam, động cơ điện sẽ xoay chậm hơn tốc

độ của trục cam

II Các dạng điều khiển trục cam khác :

II.1Hệ thống VTEC (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control):

Động cơ VTEC

VTEC là thuật ngữ viết tắt từ cụm từ “Variable valve Timing and lift Electronic Control” Hệ thống này được phát triển nhằm cải thiện hiệu quả của các động cơ đốt trong tại các dải vòng tua động cơ khác nhau VTEC của Honda là một trong nhiều công nghệ điều van biến thiên trên thế giới như VVT-i của Toyota hay VarioCam plus của Porsche VTEC được kỹ sư thiết kế động cơ của Honda, Kenichis Nagahiro sáng tạo nên

Ngoài ra thuật ngữ i-VTEC là sự kết hợp bởi VTEC và VTC ( Variable Timing Control) i-VTEC cho phép điều khiển rất chính xác thời điểm mở van, độ nâng và toàn bộ các hoạt động của động cơ để đạt được sự cân bằng, công suất tối đa, tiết kiệm nhiên liệu và đạt được hiệu suất về khí xả.Nhờ kết quả đó

mà nâng cao được sự ổn định khi chạy không tải, mang lại một công suất lớn ở tốc độ thấp và trung bình,

kể cả ở tốc độ cao i-VTEC tạo cho 1 động cơ tốt hơn cho quá trình nạp ở mọi tốc độ.Hệ thống i-VTEC hoạt động dựa trên 3 nguyên tắc: ổn định chạy không tải, cân bằng sự tiêu hao nhiên liệu và đầu ra lớn

 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động:

Khi so sánh cơ cấu cam của động cơ thường và động cơ VTEC ta thấy có sự khác biệt ở số lượng vấu cam và cò mổ như trên hình vẽ Động cơ thường ở cam nạp chỉ có hai vấu cam được điều khiển cùng thời điểm và cùng khoảng nâng nhất định Ở động cơ VTEC được trang bị hai vấu cam nạp với biên độ mở khác nhau, một dành cho động cơ làm việc ở tốc độ thấp và một dành cho động cơ khi làm việc ở tốc độ cao Bên cạnh đó ở động cơ trang bị hệ thống VTEC có thêm một cò mổ được thiết kế phục vụ cho động cơ hoạt động ở tốc độ cao

Các cò mổ sẽ được liên kết với nhau thông qua chốt liên kết được điều khiển bằng áp lực dầu Khi động cơ hoạt động ở tốc độ thấp chốt liên kết cò mổ sẽ không được tác động do đó cò mổ dành cho hoạt động ở tốc độ cao sẽ được cam có biên độ lớn điều khiển xoay tự do Khi động cơ hoạt động ở tốc độ cao, áp lực dầu sẽ được điều khiển mở bởi các van điện để cấp dầu đến điều khiển chốt liên kết cò mổ, lúc này hai cò mổ ở hai tốc độ được liên kết với nhau và làm việc theo biên độ cam lớn Khi động cơ trở lại làm việc ở tốc độ thấp các van điện sẽ dừng tác động, lúc này lực lò xo bên trong chốt liên kết cò mổ sẽ đẩy chốt liên kết trả về vị trí ban đầu, ngắt liên kết các cò mổ do đó cơ cấu trở lại làm việc ở tốc độ động cơ thấp

 Các loại công nghệ VTEC đang được Honda sử dụng :

• DOHC VTEC

Hệ thống DOHC VTEC của Honda là một biện pháp đơn giản nhằm linh hoạt hóa động cơ bằng cách sử dụng nhiều biên dạng cam khác nhau, thích hợp cho cả hoạt động khi ở tốc độ thấp, lẫn tốc độ cao

• SOHC VTEC

Trên động cơ SOHC, xupáp nạp và xupáp xả đều nằm trên một trục do động cơ này sử dụng một trục cam Trong động cơ này, bugi được đặt giữa hai xupáp xả nên công nghệ VTEC chỉ được sử dụng cho hai xupáp nạp

• SOHC VTEC-E

Một phiên bản khác của hệ thống VTEC, VTEC-E, được sử dụng theo một cách khác; thay vào việc tối ưu hóa công suất động cơ ở tốc độ cao, hệ thống này được sử dụng để tăng hiệu suất động cơ

ở tốc độ thấp Ở tốc độ thấp, một trong hai xupáp nạp chỉ mở với một lượng rất nhỏ nhằm tạo xoáy lốc, tăng khả năng hòa trộn nhiên liệu trong buồng đốt, do đó cho phép động cơ sử dụng một tỉ lệ hòa khí nghèo hơn Khi tốc độ động cơ tăng cao, hệ thống SOHC VTEC-E hoạt động tương tự như nguyên lý cơ bản của hệ thống VTEC, một piston liên kết bên trong 2 cò xupáp sẽ liên kết chúng lại với nhau, cho phép chúng hoạt động cùng nhau

• VTEC 3 giai đoạn

Hệ thống này kết hợp đặc tính của cả công nghệ SOHC VTEC và công nghệ SOHC VTEC-E

II.2Hệ thống MIVEC (Mitsubishi Innovative Valve timing and lifting Elecrtonic Control) :

MIVEC (Mitsubishi Innovative Valve timing Electronic Control system) là tên viết tắt của công

nghệ động cơ với xupáp nạp biến thiên được phá triển bởi hãng Mitsubishi Cũng tương tự như các hệ thống với xupáp nạp biến thiên của các hãng khác, hệ thống này cũng có khả năng thay đổi hành trình hoặc thời gian đóng mở các xupáp bằng cách sử dụng hai loại vấu cam khác nhau Ở dải tốc độ thấp, vấu cam nhỏ dẫn động các xupáp, động cơ hoạt động ở trạng thái không tải ổn định, lượng khí thải giảm và mômen xoắn tăng lên ở tốc độ thấp Khi vấu cam lớn được kích hoạt, tốc độ tăng lên, các xupáp được mở rộng hơn và thời gian mở xupáp tăng lên Bởi vậy làm tăng lượng khí nạp trong buồng cháy, công suất và mômen xoắn tăng, dải tốc độ động cơ được

mở rộng

 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động:

Nhằm tối ưu hiệu suất động cơ ở giải tốc độ thấp và trung bình, mặt khác lại nâng cao công suất ở vòng tua cao, hệ thống MIVEC đạt được cả hai mục tiêu trên nhờ chủ động điều khiển cả thời điểm và khoảng thời gian đóng mở xupáp Hệ thống MIVEC điều khiển hoán đổi các vấu cam có cùng chức năng Một số các loại xe đua thể thao đã áp dụng biện pháp công nghệ này nhằm mục đích sinh ra nhiều công suất hơn Việc chuyển đổi vấu cam được thực hiện một cách tự động nhờ các ECU của hệ thống MIVEC, dựa trên các tín hiệu đầu vào như tốc độ động cơ, số vòng quay trục khuỷu, nhiệt độ nước làm mát, độ mở bướm ga,…ECU sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển để kích hoạt hoạt hoặc hủy chế độ MIVEC

Hai cam có hai biên dạng khác nhau được sử dụng ở hai chế độ khác nhau của động cơ: một cam có biên dạng nhỏ, dùng ở dải tốc độ thấp mà ta gọi tắt là cam tốc độ thấp và vấu cam còn lại có biên dạng lớn hơn, dùng ở dải tốc độ cao gọi tắt là cam tốc độ cao Các vấu cam tốc độ thấp và các trục cò

mổ, dẫn động các xupáp nạp, đặt đối xứng nhau qua cam tốc độ cao ở giữa Mỗi xupáp nạp được dẫn động bởi một cam tốc độ thấp và trục cò mổ Để chuyển sang cam tốc độ cao, một tay đòn chữ T được ép vào các khe ở đỉnh trục cò mổ của cam tốc độ thấp Điều này cho phép các cam tốc độ cao dịch chuyển cùng với cam tốc độ thấp Lúc này các xupáp thay đổi hành trình khi được dẫn động bởi cam tốc độ cao.Ở dải tốc độ thấp, tay đòn chữ T trượt ra khỏi khe một cách tự do, cho phép các cam tốc độ thấp dẫn động các xupáp Ở dải tốc độ cao, áp suất thủy lực đẩy piston thủy lực lên, bởi vậy tay đòn chữ T lại trượt vào các khe cò mổ để chuyển sang vận hành với các cam tốc độ cao

II.3Hệ thống VANOS (Variable nockenwellen steuerung ) trên động cơ BMW:

Ra đời năm 1992 và năm 2000 được sử dụng ở động cơ BMW M3 6 xilanh, 2 múi xupap dung tích 3.24L đạt 252kW ở 7.900 von g/phút Cơ cấu VANOS dùng cho cả hai trục cam nạp và thải được gọi là DOPPER VANOS

VANOS kết hợp giữa thiết bị điều khiển cơ khí và hệ thống điều khiển bằng thuỷ lực để điều khiển các trục cam và được quản lý bởi (DME) hệ thống điều khiển động cơ của xe

 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động :

Bánh xích để dẫn động từ trục khuỷu được nối với trục then hoa, dưới tác dụng của áp suất dầu lấy từ hệ thống bôi trơn và có bơm cao áp để nâng lên áp suất 100 bar, trục then hoa có chuyển động dọc trục Bánh răng nghiêng của trục then hoa ăn khớp trong với bánh răng nghiêng dẫn động trục cam Khi trục then hoa dịch chuyển dọc trục thì trục cam sẽ xoay một góc tương ứng tính theo góc quay trục khuỷu so với bánh xích dẫn động trục cam lắp trục khuỷu.

Trong những động cơ mà có trục cam được đặt ơ phía trên của nắp xylanh, những trục cam đó được dẫn động bởi trục khuỷu bằng bộ truyền đai hoặc bộ truyền xích và những cặp bánh răng Trong những môtơ BMW_VANOS có lắp đặt một bộ truyền xích và một vài đĩa xích Bánh răng đĩa xích mà được gắn trên trục khuỷu sẽ truyền chuyển động cho trục cam điều khiển xupáp xả và bánh răng được gắn trên trục cam xả được lắp ghép bằng then với trục cam xả Và một bộ phận thứ hai đó là gồm một bánh răng di động, và một bộ truyền xích thứ hai cũng có thể di động sẽ đi tới trục cam điều khiển các xupáp nạp

Khác với trường hợp trên thì bánh đĩa xích lớn gắn trên trục cam điều khiển các xupáp nạp không được ghép then (ghép cố định) với trục cam, mà thay vào đó là bánh đĩa xích này được khoét một

lỗ rỗng lớn ở giữa tâm của đĩa xích Biên dạng bên trong của lỗ trống giống như là một bánh răng hình trơn ốc Trên đầu trục cam sẽ có gắn một bánh răng biên dạng hình trơn ốc ăn khớp ngoài, nhưng nó có thêm một số bánh răng nhỏ được đặt sát phía trong của bánh răng lớn Ở đó có một bánh răng hình trơn ốc để khớp với hình dạng bên trong của cam va khớp với bánh răng đĩa xích

ăn khớp ngoài

Sự điều khiển có thể điều chỉnh được ở VANOS là hoàn toàn theo hướng xoắn ban đầu của những ren Bánh răng hình trơn ốc di chuyển được nhờ cơ cấu thuỷ lực làm việc trên nguyên tắc điều khiển áp lực dầu của DME Ở tốc độ thấp nhất của động cơ sự điều khiển các trục cam diễn

ra rất chậm Chỉ cần tăng tốc độ động cơ vượt khỏi giá trị thấp nhất ổn định thì Solenoid của DME hoạt động điều đó cho phép áp lực dầu làm di chuyển bánh răng hình trơn ốc vô cam sớm hơn một khoảng 12,5 độ (tính theo góc quay trục khuyủ ), và sau đó tốc độ động cơ vào khoảng

5000 vịng/pht(rpm)nĩ tự động trở về vị trí điều khiển ban đầu, sự sớm pha lớn (góc nạp sớm lớn )

là nhằm mục đích nạp đầy khí vào xylanh hơn (làm cho hệ số nạp tăng) Ở tại tốc độ trung bình làm cho mômen xoắn tăng (công xuất động cơ tăng), tiếng ồn mà ta nghe thấy là kết quả do sai số trong chế tạo làm cho bánh răng côn bị lắc một chút lúc bánh răng côn di chuyển vào trong hoặc

ra ngoài khi ăn khớp

 Ngoài các hệ thống kể trên ta còn nhiều hệ thống khác cũng với nguyên tắc điều khiển thời điểm

và độ mở xupap được các hãng sản xuất khác nhau như: Mitsubishi có động cơ MIVEC

( Mitsubishi Innovative Valve timing Electronic Control system ) hệ thống điều khiển van bằng

hệ thống kiểm soát thời gian bằng điện tử, Nissan có động cơ VVL ( Variable Valve Lift and Timing): độ mở van và thời gian, Porsche goi là VarioCam Plus: van biến thời gian, Subaru cũng không chịu kém phần đặt luôn cái tên là Dual AVCS (active valve control system) Tất cả

đều với mục đích làm tăng công suất cho động cơ, giảm thiểu khí xả ô nhiễm môi trường và tăng tính kinh tế nhiên liệu Nhưng với việc điều khiển xupap ra sao và ảnh hưởng thế nào đến quá trình làm việc của động cơ ta sẽ nghiên cứu phần Ảnh hưởng của thời điểm đóng, mở

xupap đến hiệu suất động cơ.

III Ảnh hưởng của thời điểm đóng, mở xupap đến hiệu suất động cơ :

Trong động cơ đốt trong mỗi thời điểm đóng, mở cũng như hình dạng các xupap đều có ảnh hưởng đến hiệu suất, tính kinh tế nhiên liệu và vấn đề khí xả ô nhiễm của động cơ thông qua quá trình nạp và xả khí Một cách gián tiếp trên số liệu thực nghiệm cho thấy động cơ có hệ thống VVT and Lift giúp giảm 5-15% tiêu hao nhiên liệu so với động cơ bình thường khi cùng điều kiện làm việc

Trên một động cơ ôtô, các xupap nạp và thải có tổng thể là tám trạng thái khi hoạt động :

1 Van nạp đóng muộn ( LIVC)

2 Van nạp đóng sớm (EIVC)

3 Van nạp mở muộn ( LIVO)

4 Van nạp mở sớm (EIVO)

5 Van xả đóng sớm (EEVC)

6 Van xả đóng muộn (LEVC)

7 Van xả mở sớm ( EEVO)

8 Van xả mở muộn (LEVO) Mỗi một trạng thái hoạt động của các van đều có một mục đích mà nhà chế tạo muốn mang lại cho hiệu quả làm việc của động cơ Nếu đi phân tích từng trạng thái làm việc của một động cơ có

hệ thống VVT sẽ thấy được ý nghĩa của nó so với một động cơ bình thường

Trên lý thuyết khi so sánh hiệu suất làm việc của hai động cơ ta dựa vào đồ thị công PV Sau đây

là đồ thị công PV của một động cơ xăng thường khi hoạt động và loại có VVT and Lift

Hình I.5: Đồ thị công PV trên một động cơ xăng bốn kì thường

Hình I.6: Đồ thị công PV có VVT và Lift

Đồ thị công PV trên động cơ xăng bốn kì,hoạt động bình thường, các điểm đóng, mở xupap là cố định điều này sẽ dẫn đến không thích hợp khi chế độ làm việc của động cơ thay đổi, có thể dẫn đến sự thừa hoặc thiếu công suất, sự tiêu hao nhiên liệu khi điều kiện tải đặt lên động cơ thay đổi liên tục Trên động cơ có hệ thống VVT-i and Lift, các thời điểm đóng, mở, khoảng đội và thời