Hệ thống phân phối khí VTTi của TOYOTA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH.
Khoa: Cơ Khí Động Lực
Môn : Động Cơ Đốt Trong
GVHD: TS.Lý Vĩnh Đạt
Họ và tên sinh viên : Nguyễn Việt Phước.
MSSV: 14145208
Lớp: Sáng thứ 6, tiết 1-3

TIỂU LUẬN:
ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG VVT- I TRÊN ĐỘNG CƠ CỦA
TOYOTA


1.

Giới thiệu hệ thống VVT-I (variable valve timing with intelligence)
Ta được biết , hòa khí ( hơi xăng ) trong buồng đốt có một vận tốc cháy giới hạn,

khoảng25m/giây .Nếu chúng ta chạy xe với vận tốc cao, vòng máy rất nhanh, thì vận
tốc của phản ứng cháy nói trên sẽ không kịp đốt cháy hoàn toàn hòa khí, khiến hiệu
suất bị giảm. Vì vậy, khi vòng máy tăng cao, ứng với tăng vận tốc của xe, cơ cấu
VVT-i sẽ tự động mở xú-páp hút sớm hơn thời điểm cố định, hòa khí được nạp sớm
hơn, và đốt sớm hơn, cháy trọn vẹn.
Hệ thống VVT-i là 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.
2. Lịch sử của hệ thống VVT-i
Hệ thống VVT-i được đề xuất thay cho hệ thống VVT từ năm 1991 bắt đầu trên
động cơ 4A-GE 20 Valve.
VVT-i được giới thiệu năm 1996, thay đổi thời điểm nạp xupap 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,

VVT-iE.
3.

Cấu tạo của hệ thống VVT-i
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 (loại bỏ sự hỗ trợ bằng khí) và bộ
chia điện bằng điện tử cùng các bugi đầu iridium. ( Hình 1)


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.
Vị trí bướm ga được người lái quyết định 80% thông qua pê-đan gắn
cảm biến góc đạp chân ga, 20% còn lại chịu sự chi phối của các cảm biến
khác. Hệ thống bướm ga điện tử ETCS-i hoạt động nhờ một mô-tơ cực nhạy
điều khiển bằng xung điện. Cảm biến chân ga gồm 2 đầu đo độc lập, phản
ánh thao tác của lái xe đến bộ xử lý trung tâm thông qua 2 luồng tín hiệu có
đặc tính khác nhau. Để dự phòng, nếu 1 trong 2 chiếc bị hỏng thì bướm ga
vẫn có khả năng mở ở mức giữa 25% và không tải, nếu cả 2 chiếc gặp sự cố
4.

xe vẫn có thể chạy với chế độ không tải về xưởng sửa chữa.
Nguyên lý hoạt động
• 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.


•

Van điều khiển dầu phối khí trục cam
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 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.


4.1

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.



4.2

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.


4.3

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.


5.

Các chế độ hoạt dộng

• 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
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 thười điểm đóng xupáp nạp đượcđẩy sớm

lên để giảm hiện tượng quay ngược khí nạp lại đường nạp và cải thiện hiệu quả
nạp.
• 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 xupápnạp 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.
6.

Ưu điểm, nhược điểm của hệ thống VVT-i
Ưu điểm:
- Hoạt động êm dịu và ổn định ở tốc độ thấp nhưng vẫn phát huy công suất tối
đa ở tốc độ cao. Hiệu suất của động cơ tăng làm giảm lượng nhiên liệu tiêu
-

hao và giảm được lượng khí thải độc hại do quá trình cháy hoàn toàn
Hệ thống được điều khiển bởi ECU nên tốc độ xử lý rất nhanh, chế độ hoạt
động của động cơ được thay đổi chỉ trong vài phần nghìn giây. Điều này nâng
cao tính năng hoạt động của động cơ ở mọi chế độ, cung cấp cho động cơ khả
năng gia tốc cực nhạy tạo cảm giác mạnh mẽ vượt trội so với các xe không
trang bị hệ thống.


Nhược điểm:
-

Kết cấu khá phức tạp làm cho việc nâng cấpVVT-i cho các dòng xe mà lúc

-

sản xuất không trang bị hệ thống này là không khả thi
Hiện nay VVT-i không phải là công nghệ mới và hiện đại trên động cơ xăng.
Động cơ xăng hiện nay, công nghệ cao nhất đang dần đưa vào sử dụng chính
là công nghệ GDI -> Gasoline direct injection tức là phun xăng trực tiếp. Vì

7.

vậy, VVT-i cần được cải tiến.
So sánh hệ thống VVT-i với các hệ thống phân phối khí khác.( VTEC)
Về cơ bản cả VTT-i và VTEC đều có chung một mục đích là tăng lượng nhiên
liệu nạp vào nhằm tăng hiệu suất động cơ.
Hệ thống VTEC của Honda là phương pháp khá đơn giản nhằm đảm bảo
động cơ hoạt động hiệu quả ở dải vòng tua rộng, thông qua trục cam kép đa
trạng thái đã được tối ưu hóa. Thay vì mỗi con đội phục trách một van, sẽ có 2
con đội điều khiển. Một con đội được thiết kế để động cơ hoạt động tốt ở vòng
tua thấp còn một con khác đảm nhiệm vai trò ở vòng tua cao.Sự thay đổi trạng
thái giữ hai con đội này được điều khiển bằng máy tính sau khi thu thập các
thông số như áp suất dầu động cơ, nhiệt độ máy, vận tốc xe và vòng tua động
cơ. Khi vòng tua động cơ tăng, máy tính sẽ kích hoạt con đội thiết kế cho vòng
tua cao hoạt động. Từ lúc này, van sẽ được đóng mở theo chế độ vòng tua cao
như khoảng mở rộng hơn, thời gian mở dài hơn nhằm cung cấp đủ hòa khí cho
buồng đốt. Hệ thống VTEC trên động cơ trục cam kép sẽ điều khiển cả van xả
và van nạp.
Nếu xét trên khía cạnh cấu tạo thì VTEC có vẻ ưu điểm hơn VTT-i nhờ kết

cấu đươn giản mà vẫn điều khiến được cả xupap nạp và xupap xả.
8. Các bước cải tiến của Toyota trong hệ thống phân phối khí.
8.1 Hệ thống VTTL-i

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.
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.
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.
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.

8.2

Hệ Thống Dual VVt-i
Dual VVT- i là công nghệ mới của TOYOTA, được áp dụng đầu tiên trên
dòng xe CAMRY 3.5Q (điều khiển thông minh van biến thiên - cả van nạp và
van xả). Tất nhiên là có phần ưu điểm hơn VVTi (tăng cường hiệu quả làm
việc của động cơ, tiết kiệm nhiên liệu) nhưng không nhiều, chủ yếu là việc
giảm khí thải,-giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Các đời CAMRY 2.4 mới sau
này và ALTIS cũng đã được trang bị động cơ thế hệ mới này.


9.

Kết luận

Việc sử dụng công nghệ VVT-i trên động cơ Toyota, bên cạnh đó là các
công nghệ cải tiến dựa trên VVT-i không những làm giảm thiểu các chất độc
hại thải ra môi trường mà còn làm tăng công suất và hiệu suất làm việc của
động cơ, giúp cho động cơ hoạt động mạnh mẽ và êm dịu hơn.
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.