Hệ Thống VVT I Trên ô Tô - 123doc

Quan hệ phối khí giữa tải trọng và tốc độ động cơ 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 V

1 DẪN NHẬP

Động cơ bốn kỳ có chu trình công tác được thực hiện sau bốn hành trình của piston hay hai vòng quay của trục khuỷu Sau đây sẽ khảo sát một cách khái quát diễn biến các quá trình lý, hóa xảy ra trong từng hành trình của piston:

• Hành trình thứ nhất (hành trình nạp):

Piston đi từ ĐCT xuống ĐCD tạo nên độ chân không trong xylanh không khí (ở động cơ diesel) hay hỗn hợp hòa khí (ở động cơ xăng, gas )

từ đường nạp gọi là khí nạp mới được hút vào xylanh qua xupáp nạp đang

mở và hoà trộn với khí sót của chu trình trước tạo thành hỗn hợp công tác

Để tiết diện lưu thông của xupáp khá lớn khi khí nạp mới thực sự đi vào xylanh do đó nạp nhiều hơn, xupáp nạp mở sớm một góc là 1 tại điểm d1

Hình 1.1 Đồ thị nguyên lý làm việc của động cơ bốn kỳ không tăng áp

a Đồ thị công; b Đồ thị phân phối khí

• Hành trình thứ hai (hành trình nén):

Piston đi từ ĐCD lên ĐCT Xupáp nạp đóng muộn một góc 2 tại điểm d2 nhằm tận dụng quán tính của dòng khí để nạp thêm Hỗn hợp công tác bị nén khi hai xu-páp cùng đóng dẫn tới tăng áp suất và nhiệt độ trong xylanh Tại điểm c’ gần ĐCT tương ứng với góc s, bugi (động cơ

xăng, gas) bật tia lửa điện hay kim phun (động cơ diesel) phun nhiên liệu vào xylanh Góc s được gọi là góc đánh lửa sớm (động cơ xăng, động cơ gas) hay góc phun sớm (động cơ diesel) Sau một thời gian chuẩn bị rất ngắn, quá trình cháy thực sự diễn ra làm cho áp suất và nhiệt độ trong xylanh tăng lên rất nhanh.

• Hành trình thứ ba (hành trình cháy – giãn nở): là hành trình công tác:

Piston đi từ ĐCT xuống ĐCD Sau ĐCT, quá trình cháy tiếp tục diễn ra nên áp suất và nhiệt độ tiếp tục tăng, sau đó giảm do thể tích xylanh tăng nhanh Khí cháy giãn nở sinh công Gần cuối hành trình, xupáp thải mở sớm một góc 3 tại điểm b’ để thải tự do một lượng đáng kể sản vật cháy ra khỏi xylanh vào đường thải

• Hành trình thứ tư (hành trình thải):

Piston đi từ ĐCD lên ĐCT, sản vật cháy bị thải cưỡng bức do piston đẩy ra khỏi xylanh Để tận dụng quán tính của dòng khí nhằm thải sạch thêm, xupáp thải đóng muộn sau ĐCT một góc 4 ở hành trình nạp của chu trình tiếp theo

NHẬN XÉT:

- Các xupáp đều có các góc mở sớm và đóng muộn nhằm thải sạch

và nạp đầy Tập hợp các góc mở sớm đóng muộn của xupáp được gọi là pha phối khí (hình 1.1.b) Giá trị tối ưu của pha phối khí cùng các góc phun sớm và đánh lửa sớm s rất khó xác định bằng tính toán nên thường được lựa chọn bằng thực nghiệm

- Trong khoảng góc 1 + 4 (cuối quá trình thải, đầu quá trình nạp), (hình 1.1.b), hai xupáp đều mở Do đó 1 + 4 được gọi là góc trùng điệp của xupáp

- Tuy nhiên, để đạt được cháy hoàn toàn ở mọi chế độ hoạt động của động

cơ thì lượng nhiên liệu đưa vào xylanh phải đủ tương ứng với chế độ đó Điều này phụ thuộc vào các yếu tố:

+ Tiết diện lưu thông của đường nạp

+ Thời điểm mở sớm và đóng trễ của xupáp nạp (góc 1 và 2)

+ Thay đổi độ nâng xupáp nạp.

2 CÔNG NGHỆ THỰC HIỆN

Thực hiện đưa hỗn hợp nhiên liệu vào đủ tương ứng với từng chế độ hoạt động của động cơ để đạt được cháy hoàn toàn, trên từng hãng sẽ có các công nghệ và tên gọi của công nghệ khác nhau Sau đây sẽ giới thiệu một số kiểu thường gặp:

2.1 CÔNG NGHỆ VVT-i TRÊN TOYOTA (Variable Valve Timing

with intelligence)

Hệ thống VVT-i sử dụng áp suất thủy lực để xoay trục cam nạp và làm thay đổi thời điểm phối khí với mục đích nạp hỗn hợp nhiên liệu sao cho nhiên liệu được cháy hoàn toàn, việc này nhằm nâng cao mô-men xoắn của động cơ, cắt giảm tiêu thụ nhiên liệu và khí thải độc hại

Hình 2.1 Hệ thống VVT-iCác bộ phận của hệ thống gồm:

- Bộ xử lý trung tâm ECU 32bit

- 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 (loại bỏ sự hỗ trợ bằng khí) và bộ chia điện bằng điện tử cùng các bugi đầu iridium

Một cách tổng quát, 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 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát động cơ cung cấp dữ liệu hiệu chỉnh, còn các đầu

đo VVT và vị trí trục khuỷu thì cung cấp các thông tin về tình trạng phối khí thực tế 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 Lệnh này được tính toán trong vài phần nghìn giây và quyết định đóng/mở các van điện của hệ thống thủy lực Áp lực dầu sẽ tác động thay đổi vị trí bộ điều khiển phối khí, mở các xu-páp nạp đúng mức cần thiết vào thời điểm thích hợp

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 tỷ lệ % nhiên liệu được đốt Thông tin từ đây được gửi 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

Các chế độ hoạt động:

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 (1 + 4 giảm) để giảm khí xả chạy ngược lại phía nạp Điều này làm ổn định chế độ không tải và cải thiện tính tiết kiệm nhiên liệu và tính khởi động

Khi tải trung bình, hay khi tốc độ thấp và trung bình ở tải nặng hoặc 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 (tuần hoàn khí thải) nội bộ và giảm mất mát do bơm Điều này cải thiện ô nhiễm khí xả và tính tiết kiệm nhiên liệu Ngoài ra, cùng lúc đó thời điểm đóng xupáp nạp được đẩy sớm lên để giảm hiện tượng quay ngược khí nạp lại 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.

Hình 2.2 Quan hệ phối khí giữa tải trọng và tốc độ động cơ

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 van điều khiển dầu phối phí trục cam để điều khiển đường

đi của dầu

Bộ điều khiển VVT-i

Hình 2.3 Bộ điều khiển xoay trục cam

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 lục 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

Hình 2.4 Van điều khiển dầu phối khí trục cam

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 đến 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

Van điều khiển dầu phối khí trục cam chọn 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 đặp 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 cảm biến vị trí trục khuỷu để tính toán thời điểm phối khí thực tế

và thực hiện điều khiển phản hồi để đạt được thời điểm phối khí chuẩn

Hình 2.5 Sơ đồ mạch dầu 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 2.6 Sơ đồ mạch dầu làm muộn thời điểm phối khí

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

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 2.7 Sơ đồ mạch dầu giữ cố định thời điểm phối khí

Hiện nay, VVT-i được áp dụng rộng rãi trên các mẫu xe hạng trung của Toyota, đặc biệt với thiết kế động cơ 4 xi-lanh cỡ vừa và nhỏ

2.2 CÔNG NGHỆ MIVEC (Mitsubishi Innovative Valve timing

Electronic Control system)

MIVEC của Mitsubishi có thể thay đổi thời điểm đóng mở và cả hành trình nâng xu-páp giúp động cơ thích ứng với tình trạng làm việc thay đổi của xe

Trong công nghệ MIVEC sử dụng các biên dạng cam khác nhau để

mở xupap nạp theo hai chế độ động cơ: tốc độ thấp và tốc độ cao, nó sẽ nâng cao hơn công suất lớn nhất và và tăng mô men xoắn trong trong các chế độ làm việc của động cơ Khi động cơ ở số vòng quay thấp MIVEC sẽ chọn biên dạng cam nhỏ và cung cấp hỗn hợp cháy ổn định, ít khí xả Khi bướm ga được mở rộng, tốc độ động cơ tăng lên, MIVEC sẽ cho phép tăng thời gian và hành trình mở của xupap nạp, vì vậy nó sẽ cung cấp cho động

cơ công suất và mômen lớn hơn hẳn so với các động cơ không cử dụng công nghệ này

Hình 2.8 Động cơ ứng dụng công nghệ MIVEC

Hình 2.9 Đặc tính công suất và mô men của động cơ đạt được khi sử dụng

MIVEC ở hai chế độ

Điểm đặc biệt của công nghệ MIVEC là việc bố trí trên trục cam với

3 biên dạng cam có kích thước khác nhau Biên dạng cam lớn nhất đặt ở giữa và hai biên dạng cam nhỏ và trung bình đặt ở hai bên (như hình 2), mặc dù có 3 biên dạng cam như vậy nhưng chỉ tạo ra 2 chế độ động cơ:

Chế độ tốc độ thấp, sử dụng biên dạng cam nhỏ, trung bình và chế

độ tốc độ cao sử dụng biên dạng cam to Ở chế độ tốc độ thấp, các xupap nạp được dẫn động bởi hai biên dạng cam nhỏ và trung bình và sẽ được điều khiển độc lập bởi hai cò mổ riêng biệt, còn biên dạng cam to này được dẫn động trực tiếp cần chữ T, cần này sẽ điều khiển cả thời gian và khoảng

mở của cả hai xupap nạp khi động cơ chạy ở chế độ tốc độ cao

Hình 2.10 Bố trí dẫn động xupap nạpKhi động cơ chạy ở chế độ tốc độ thấp, cần chữ T vẫn kết nối với biên dạng cam to, nhưng lúc này chỉ chuyển động tự do và không tiếp xúc với cò mổ của xupap nạp Khi đó vấu cam nhỏ và trung bình được dẫn động từ trục cam sẽ điều khiển khoảng nâng và thời điểm mở thích hợp cho xupap nạp Bên trong cò mổ có các piston được nén lại nhờ các lò xo, khi đó cần T chỉ chuyển động tự do và không điều khiển các cò mổ Ngoài

ra, việc sử dụng hai biên dạng cam khác nhau để mở xupap nạp khi ở chế

độ tốc độ thấp giúp tạo ra sự xoáy lốc cho dòng khí nạp đi vào bên trong xilanh,làm quá trình cháy ổn định và giảm lượng khí thải

Hình 2.11 Cấu trúc của hệ thống MIVEC

Khi động cơ ở chế độ tốc độ cao: MIVEC sẽ điều khiển mở van dầu làm tăng áp suất dầu tới piston, khiến cho piston được nâng lên và tiếp xúc với cần chữ T, khi đó biên dạng cam lớn thông qua cần chữ T tác động vào

cả hai cò mổ và điều khiển đóng mở xupap nạp Nhờ biên dạng cam lớn hơn nên sẽ tăng thời gian và độ mở của xupap nạp, vì vậy sẽ làm tăng được công suất và mô men của động cơ

Ở động cơ 4G69 của hãng Mitsubishi (lắp trên xe Grandis), khi tốc

độ động cơ đạt khoảng 3600 vòng/phút thì hệ thống MIVEC sẽ điều khiển

mở van dầu để động cơ hoạt động ở chế độ tốc độ cao, và khi tốc độ động

cơ giảm xuống dưới 3600 vòng/phút van dầu sẽ đóng lại và động cơ lại hoạt động ở chế độ tốc độ thấp

Hiện nay hãng Mitsubishi đã ứng dụng công nghệ MIVEC trên xe Grandis 2.4 và trên xe Colt với động cơ 1.3L và 1.5L Với việc ứng dụng công nghệ này sẽ giúp giảm được đáng kể chi phí nhiên liệu và giảm thiểu

ô nhiễm môi trường

2.3 CÔNG NGHỆ i-VTEC TRÊN HONDA (Valve Timing and Lift Control )

Hệ thống VTEC bố trí hai loại vấu cam ở mỗi xilanh, vấu cam tốc độ thấp và vấu cam tốc độ cao Tùy theo điều kiện làm việc cụ thể của động

cơ mà sử dụng loại vấu cam phù hợp

Hình 2.12 Hệ thống i-VTEC

Ở dải tốc độ thấp, biên dạng cam tốc độ thấp (#1 trên hình 2.12) được sử dụng, thời gian mở xupáp 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 (#2 trên hình 2.12) thay thế, cho độ mở xupáp và thời gian mở xupáp được tăng lên, không khí được nạp vào nhiều hơn Hệ thống cung cấp cho xe khả năng di chuyển tốt

ở tốc độ thấp và tăng hiệu suất động cơ khi tốc độ xe tăng lên

Hình 2.13 Các kiểu hệ thống VTEC

Qua nhiều năm phát triển, các động cơ của Honda đã sử dụng qua năm loại hệ thống VTEC khác nhau gồm: (1) VTEC có một trục cam đặt trên gọi là SOHC; (2) VTEC-E tiết kiệm nhiên liệu; (3) VTEC có hai trục cam đặt trên DOHC; (4) VTEC có xilanh không tải và (5) công nghệ i-VTEC thông minh Kết cấu của 5 modun trên 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 xupáp mở ít và thời gian mở ngắn lại do biên dạng của vấu cam giảm

Hiệu quả thực tế của công nghệ VTEC phụ thuộc vào điều kiện chạy

xe và kiểu xe Bộ điều khiển trung tâm ECM/PCM liên tục theo dõi sự thay đổi tình trạng hoạt động của động cơ như tải trọng, số vòng quay và tốc độ chạy xe Dựa vào các thông số đầu vào này, ECM/PCM sẽ xác định

và tính toán để kích hoạt hoặc hủy bỏ chế độ VTEC

Khi tốc độ động cơ tăng lên, lượng không khí và nhiên liệu cần thiết cũng tăng lên Nếu các điều kiện như nhiệt độ nước làm mát động cơ, áp suất đường ống nạp, tốc độ động cơ và tốc độ di chuyển của xe đạt đến một giá trị nào đó, hệ thống sẽ chuyển từ vấu cam tốc độ thấp sang vấu cam tốc độ cao Nhờ vậy, độ mở xupáp và thời gian xupáp mở tăng lên

PCM/ECM điều khiển hoạt động của VTEC nhờ tín hiệu điện Khi PCM/ECM kích hoạt VTEC, công tắc áp suất dầu được bật lên, dầu qua van trượt theo đường ống dẫn đến tác động vào piston nối, piston này sẽ dịch chuyển sang phải để nối hai cụm cò mổ lại với nhau, chuyển động đồng thời

Hình 2.14 Cụm điều khiển

Chúng ta hãy quan sát hình ảnh hoạt động của một hệ thống VTEC với một trục cam đặt trên, mỗi cụm cò mổ gồm hai cò mổ tốc độ thấp ở hai bên và một cò mổ tốc độ cao ở giữa

Hình 2.15 Sơ đồ cấu tạo cụm đòn bẩy (cò mổ)

Ở dải tốc độ thấp, các cò mổ tốc độ thấp và tốc độ cao chuyển động riêng rẽ Các xu páp mở ra ít và thời gian mở ngắn Ở dải tốc độ cao, PCM/ECM kích hoạt để VTEC hoạt động, các piston nối dưới tác động của dầu thủy lực sẽ di chuyển để nối các cò mổ tốc độ thấp và tốc độ cao với nhau thành mối khối Lúc này, các xu páp mở ra nhiều hơn và thời gian

mở tăng lên Không khí được nạp vào nhiều hơn, công suất động cơ tăng lên nhanh chóng

Hình 2.16 Hoạt động nối hai cụm đòn bẩy bằng mạch dầu điều khiển

2.4 CÔNG NGHỆ VarioCam Plus TRÊN PORSCHE