Đồ án tốt nghiệp khảo sát hệ thống phân phối khí
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.43 MB, 76 trang )
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM
Tiểu luận tốt nghiệp
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
BỘ MÔN ĐỘNG CƠ
TIỂU LUẬN TỐT NGHIỆP
I. TÊN ĐỀ TÀI: “ KHẢO
SÁT HỆ THÔNG PHÂN PHỐI KHÍ TRÊN
ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ”
II .TÊN SINH VIÊN
MSSV : 12545004
III. NỘI DUNG THỰC HIỆN
- Trình bày nguyên lý hoạt động, đặc điểm của các hệ thống phân phối khí trên
động cơ đốt trong.
- Phân tích ưu và nhược điểm các loại phân phối khí hiện nay sử dụng trên ô tô.
IV. TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Nguyên lý động cơ đốt trong, Nguyễn Tất Tiến, Nhà xuất bản Giáo Dục, 2007
2. Nguyên lý kết cấu động cơ đốt trong, Nguyễn Văn Trạng, ĐHSPKT Tp. HCM,
2006
3. The impact of valve events upon engine performance and emissions, 2006
Khảo sát hệ thống phân phối khí trên động cơ đốt trong
Trang 1
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM
Tiểu luận tốt nghiệp
4. Tài liệu đào tạo các hãng Honda, Toyota, Mitsubishi, Fiat, BMW
5.
6.
7. />8.
9.
10. />11.
V. TRÌNH BÀY: 01 quyển thuyết minh và 02 đĩa CD
VI. THỜI GIAN THỰC HIỆN
- Ngày bắt đầu:
01/ 07/ 2015
- Ngày hoàn thành: 15/ 09/ 2015
Đắk Lắk , ngày 15 tháng 09 năm
2015
Bộ môn động cơ
Giảng viên hướng dẫn
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
Khảo sát hệ thống phân phối khí trên động cơ đốt trong
Trang 2
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM
Tiểu luận tốt nghiệp
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
………..…, Ngày ……tháng……năm
2015.
Giáo viên hướng dẫn
Khảo sát hệ thống phân phối khí trên động cơ đốt trong
Trang 3
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM
Tiểu luận tốt nghiệp
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
…………., Ngày ……tháng……năm 2015.
Giáo viên phản biện
Khảo sát hệ thống phân phối khí trên động cơ đốt trong
Trang 4
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM
Tiểu luận tốt nghiệp
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP.
1.1 Lý do chọn đề tài..................................................................................................9
1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ thực hiện đề tài...............................................................9
1.2.1 Mục tiêu.................................................................................................................9
1.2.2 Nhiệm vụ...............................................................................................................9
1.3 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu..............................................................9
1.3.1 Đối tượng...............................................................................................................9
1.3.2 Phương pháp nghiên cứu.......................................................................................9
1.4 Giới hạn và nội dung đề tài......................................................................................9
CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN
PHỐI KHÍ.
2.1 Nhiệm vụ của hệ thống phân phối khí..............................................................10
2.2 Yêu cầu của hệ thống phân phối khí................................................................10
2.3 Điều kiện làm việc của hệ thống phân phối khí...............................................10
2.4 Ảnh hưởng của việc thay đổi pha phân phối khí tới hiệu quả động cơ.........10
2.4.1 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm mở xupap xả (Exhaust Valve Opening
Timing – EVO).............................................................................................................11
2.4.2 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm đóng xupap xả (Exhaust Valve Closing
Timing – EVC).............................................................................................................12
2.4.3 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm mở xupap nạp (Intake Valve Opening
Timing – IVO)..............................................................................................................13
2.4.5 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm đóng xupap nạp (Intake Valve Closing
Timing – IVC)..............................................................................................................14
2.5 Nguyên lý điều chính trên các hệ thống phân phối khí thông minh..............19
CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÍ BIẾN
THIÊN
3.1 Giới thiệu hệ thống phân phối khí VVT..........................................................20
3.1.1 Lịch sử.................................................................................................................20
3.1.2 Cấu tạo.................................................................................................................22
3.1.3 Nguyên lý hoạt động...........................................................................................24
3.2 Giới thiệu hệ thống phân phối khí VVTL-i.....................................................27
Khảo sát hệ thống phân phối khí trên động cơ đốt trong
Trang 5
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM
Tiểu luận tốt nghiệp
3.2.1 Cấu tạo.................................................................................................................28
3.2.2 Hoạt động............................................................................................................29
3.3 Giới thiệu hệ thống phân phối khí VTEC........................................................34
3.3.1 Giới thiệu.............................................................................................................34
3.3.2 Cấu tạo.................................................................................................................35
3.3.3 Nguyên lý hoạt động...........................................................................................38
3.4 Giới thiệu hệ thống phân phối khí i-VTEC.....................................................40
3.4.1 Giới thiệu.............................................................................................................40
3.4.2 Cấu tạo.................................................................................................................41
3.4.3 Nguyên lý hoạt động của VTC............................................................................42
3.4.4 Các chế độ cơ bản của i-VTEC...........................................................................44
3.5 Giới thiệu hệ thống phân phối khí biến thiênMIVEC....................................47
3.5.1 Giới thiệu.............................................................................................................47
3.5.2 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động thay đổi độ nâng xupap......................................48
3.5.3 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động thay đổi thời điểm phân phối khí........................50
3.5.4 Cấu tạo.................................................................................................................50
3.5.5 Nguyên lý hoạt động...........................................................................................51
3.5.6 Ưu điểm của MIVEC..........................................................................................54
3.6 Giới thiệu hệ thống phân phối khí biến thiênVanos........................................55
3.6.1 Giới thiệu.............................................................................................................55
3.6.2 Cấu tạo.................................................................................................................55
3.6.3 Nguyên lý hoạt động...........................................................................................57
3.7 Giới thiệu hệ thống phân phối khí biến thiên Valvetronic.............................59
3.7.1 Giới thiệu.............................................................................................................59
3.7.2 Cấu tạo.................................................................................................................59
3.7.3 Nguyên lý hoạt động...........................................................................................60
3.7.4 Đồ thị công suất và môment động cơ.................................................................62
CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÍ KHÔNG SỬ DỤNG
TRỤC CAM.
4.1 Hệ thống phân phối khí thủy lực Multiair.......................................................63
4.1.1 Lịch sử.................................................................................................................63
4.1.2 Cấu tạo.................................................................................................................63
4.1.3 Nguyên lý hoạt động...........................................................................................64
4.1.4 Ưu điểm của hệ thống Multiair...........................................................................67
4.1.5 Sự phát triển trong tương lai...............................................................................67
4.2 Hệ thống phân phối khí điện tử........................................................................68
4.2.1 EMV sử dụng Solenoid.......................................................................................68
4.2.2 Cấu tạo.................................................................................................................69
4.2.3 Nguyên lý hoạt động...........................................................................................69
Khảo sát hệ thống phân phối khí trên động cơ đốt trong
Trang 6
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM
Tiểu luận tốt nghiệp
4.2.4 EMV sử dụng nam châm vĩnh cửu.....................................................................70
4.2.5 Cấu tạo.................................................................................................................70
4.2.6 Nguyên lý hoạt động...........................................................................................71
4.2.7 So sánh EMV sử dụng solenoid và EVM sử dụng nam châm vĩnh cữu............72
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN
Kết luận.........................................................................................................................73
TÀI LIỆU THAM KHẢO
LỜI CẢM ƠN
Sau hơn ba tháng làm tiểu luận tốt nghiệp đến nay em đã hoàn thành. Em
xin chân thành cảm ơn.
Trường Đại Học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã tạo điều kiện tốt nhất cho em
trong suốt quá trình học tập và làm tiểu luận tốt nghiệp.
Khoa Cơ khí Động Lực đã giúp đỡ em hoàn thành tiểu luận tốt nghiệp đúng
thời gian quy định. Đặc biệt sự hướng dẫn và giúp đỡ của Thầy
LÝ VĨNH ĐẠT, Thầy đã chỉ bảo em tận tình, giúp em vượt qua những khó khăn
vướng mắc trong khi hoàn thành tiểu luận của mình. Bên cạnh đó em cảm ơn
quý Thầy trong khoa Cơ khí Động Lực đã cho em những lời khuyên, động viên
và tạo mọi điều kiện để em hoàn thành tốt chương trình học và tiểu luận tốt
nghiệp này.
Mặc dù rất cố gắng nhưng do thời gian và trình độ có hạn, nên trong quá trình
làm tiểu luận không thể tránh những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự góp ý,
nhận xét, đánh giá về nội dung cũng như hình thức trình bày của quý Thầy và
các bạn để em hoàn thành tốt hơn các công việc của mình trong tương lai.
Em xin chân thành cảm ơn.
Đắk Lắk , Tháng 09 năm 2015.
Sinh viên thực hiện
Khảo sát hệ thống phân phối khí trên động cơ đốt trong
Trang 7
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM
Tiểu luận tốt nghiệp
CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP
1.1 Lý do chọn đề tài
Công nghiệp ô tô là một ngành quan trọng trên thế giới. Các nhà chế tạo luôn
muốn có được một động cơ đốt trong luôn đảm bảo được tính hiệu quả và tính kinh tế
cao. Và để đạt được một loại động cơ như thế thì người ta cần nghiên cứu đến những
yếu tố ảnh hưởng đến tính hiệu quả và tính kinh tế của động cơ. Trong khi đó, hệ
thống phân phối khí cổ điển còn nhiều hạn chế. Để khắc phục những hạn chế đó, một ý
tưởng được các kỹ sư đưa ra là tìm cách tác động để thời điểm mở van, độ mở và
khoảng thời gian mở biến thiên theo từng vòng tua khác nhau sao cho chúng mở đúng
lúc, khoảng mở và thời gian mở đủ để lấy đầy hòa khí vào buồng đốt. Để tăng hệ số
nạp thêm (λ1) đối với mỗi hãng xe người ta điều có một công nghệ nhằm thay đổi góc
phân phối khí sao cho phù hợp với mọi chế độ làm việc của động cơ.
1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ thực hiện đề tài
1.2.1 Mục tiêu
Nhằm hiểu rõ hơn hệ thống phân phối khí thông minh trên các dòng xe đời mới
Giúp em củng cố lại các kiến thức đã được học và tập cho em cách làm việc độc
lập tạo điều kiện thuận lợi cho công việc sau này của người kỹ sư tương lai.
1.2.2 Nhiệm vụ
Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động, ưu nhược điểm của hệ thống điều khiển
cơ cấu phân phối khí trên động cơ đốt trong.
1.3 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu
Khảo sát hệ thống phân phối khí trên động cơ đốt trong
Trang 8
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM
Tiểu luận tốt nghiệp
1.3.1 Đối tượng
Hệ thống VVT-i trên xe TOYOTA
Hệ thống i-VTEC trên xe HONDA
Hệ thống MIVEC trên xe MITSUBISHI
Hệ thống VANOS VÀ VALVETRONIC trên xe BMW
Hệ thống MULTIAIR trên xe FIAT
Hệ thống EMVA
1.3.2 Phương pháp nghiên cứu
Dựa vào kiến thức qua các môn học trên lớp kết hợp kiến thức sách vở, báo, tạp
chí ô tô, internet. Xây dựng nên tiểu luận tốt nghiệp.
1.4 Giới hạn và nội dung đề tài
Với yêu cầu về nội dung, các mục tiêu và thời gian có hạn cộng với nguồn tài
liệu hiện có, tiểu luận chỉ tập trung phân tích cấu tạo, nguyên lý hoạt động, ưu nhược
điểm của hệ thống phân phối khí . Đề tài không tập trung vào tính toán, thiết kế các chi
tiết trong hệ thống.
CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN
PHỐI KHÍ.
2.1 Nhiệm vụ của hệ thống phân phối khí
Hệ thống phân phối khí dùng để nạp đầy hỗn hợp hòa khí đối với động cơ xăng
hay không khí sạch đối với động cơ diesel vào các xylanh ở kỳ nạp và thải sạch khí
thải trong xylanh ở kỳ xả.
2.2 Yêu cầu của hệ thống phân phối khí
Đóng mở các xupap đúng lúc, đúng thì, đúng thứ tự hoạt động của động cơ,
đóng kín các của nạp và cửa thải trong kỳ nén, cháy và giãn nở.
2.3 Điều kiện làm việc của hệ thống phân phối khí
Trong quá trình làm việc, mặt xupap chịu phụ tải động và phụ tải nhiệt rất lớn.
Lựckhí thể tác dụng trên diện tích mặt xupap có thể lên đến 10.000 đến 20.000
N,trongđộng cơ cường hóa và tăng áp, lực này có thể tăng đến 30.000 N. Nhiệt độ của
xupap thải trongđộng cơ xăng thường đạt 800-850 0C, trong động cơ diezel là 5006000C. Ngoài ratrong nhiên liệu có lưu huỳnh nên khi cháy tạo axit ăn mòn mặt nấm
xupap.
Vì vậy vật liệu dùng để chế tạo xupap phải có sức bền cơ học cao, chịu nhiệt
tốt, chống được ănmòn hóa học và hiện tượng xâm thực của dòng khí thải có nhiệt độ
cao.
2.4 Ảnh hưởng của việc thay đổi pha phân phối khí tới hiệu quả động cơ
Khảo sát hệ thống phân phối khí trên động cơ đốt trong
Trang 9
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM
Tiểu luận tốt nghiệp
Hình 2.1. Pha phân phối khí động cơ bốn kỳ không tăng áp
ϕ1 - góc mở sớm xupap nạp. ϕ2 - góc đóng trễ xupap nạp
ϕ3 - góc mở sớm xupap xả. ϕ4 - góc đóng trễ xupap xả
ϕs - góc đánh lửa hoặc phun dầu sớm
2.4.1 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm mở xupap xả (Exhaust Valve
Opening Timing – EVO)
Xupap thải bắt đầu mở sẽ làm cho áp suất cao trong xylanh trong quá trình đốt
cháy được thoát ra ngoài qua hệ thống xả.
Xupap thải mở sớm trước khi piston tới điểm chết dưới (điểm b’ trên hình) sẽ
tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình thải bằng cách cho sản vật cháy tự thoát ra ngoài
nhờ chênh áp giữa xylanh và đường thải. Với mục đích giảm tải trọng động cho xupap
cần phải cho xupap mở và đóng đường thông một cách từ từ. Chính vì vậy việc mở
sớm xupap thải nhằm tạo ra giá trị “thời gian-tiết diện” đủ để áp suất trong xylanh
giảm tới mức yêu cầu khi piston đi ngược từ điểm chết dưới lên điểm chết trên. Khi đã
mở sớm xupap thải vào thời điểm hợp lý sẽ làm giảm công tiêu hao cho việc đẩy khí
thải ra ngoài.
Nhưng nếu mở xupap thải quá sớm sẽ làm giảm công giãn nở trên đồ thị công
qua đó làm giảm công suất động cơ.
Hai yêu cầu trên mâu thuẫn với nhau. Trên các động cơ đốt trong cổ điển thì
pha phân phối khí được chọn cố định nên phải cân đối lợi ích giữa hai yếu tố trên. Còn
trên các động cơ có trang bị hệ thống phân phối khí thông minh thì hệ thống sẽ thay
đổi thời điểm mở xupap thải sao cho động cơ đạt được hiệu suất cao nhất ở mọi tốc độ
và tải động cợ
Ởchế độ tải nhỏ hay một phần tải động cơ sẽ đạt hiệu suất cao hơn nếu như thời
điểm mở xupap thải càng gần ĐCD hơn càng tốt vì ở chế độ này áp lực khí cháy trong
xylanh nhỏ hơn nên cũng cần ít thời gian hơn để đẩy khí cháy ra ngoài. Ngược lại khi
động cơ ở chế độ toàn tải thì cần mở xupap thải sớm tức trước khi piston tới ĐCD vì
Khảo sát hệ thống phân phối khí trên động cơ đốt trong
Trang 10
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM
Tiểu luận tốt nghiệp
cần có đủ thời gian để đẩy sạch khí cháy ra ngoài, tuy mất một ít công trên đồ thị P-V
nhưng bù vào đó quá trình nạp trong chu kỳ kế tiếp có lợi ích lớn hơn nên nhìn chung
động cơ sẽ đạt được hiệu quả cao hơn.
Xupap xả
ĐCT
ĐCD
Cải thiện mômen
xoắn ở tốc độ cao
Trước
ĐCD
Cải thiện mômen
xoắn ở tốc độ
thấp và hiệu quả
ở tải nhỏ
Hình 2.2. Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm mở xupap xả
2.4.2 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm đóng xupap xả (Exhaust Valve
Closing Timing – EVC)
Xupap thải bao giờ cũng đóng trễ sau khi piston đã đi qua điểm chết trên nhằm
đảm bảo cho sản vật cháy được thoát hết ra ngoài, mặt khác lợi dụng chênh áp để sản
vật cháy được thải tiếp giảm lượng khí sót còn lại trong xylanh. Ngoài ra việc đóng
muộn xupap thải còn nhằm sử dụng quán tính trên đường thải sinh ra giảm áp có tính
chu kỳ thấp hơn giá trị trung bình của pth tạo điều kiện để thải sạch hơn.
Thời điểm đóng xupap thải có ảnh hưởng rất quan trọng đến việc khí thải còn
lại trong xylanh trong kỳ hút tiếp theo. Thời điểm đóng xupap thải là một thông số
quan trọng trong việc điều khiển lưu hồi khí thải và góc trùng điệp của hai xupap.
Khi ở chế độ đầy tải mong muốn cho lượng khí thải còn lại trong xylanh là ít
nhất để tối đa lượng hòa khí mới nạp vào trong xylanh trong kỳ hút kế tiếp. Điều này
đòi hỏi thời điểm đóng xupap thải phải càng gần ngay ĐCT. Ngoài ra trong động cơ có
hệ thống xả tích cực nghĩa là sử dụng sóng áp suất của dòng khí xả xylanh khác thì
thời điểm đóng xupap xả cũng ảnh hưởng tới sóng áp suất làm ảnh hưởng tới việc đẩy
hay hút khí xả ra ngoài hoặc trở lại xylanh. Sóng áp suất thay đổi theo tốc độ động cơ
do đó nếu cố định thời điểm đóng xupap xả ở một tốc độ nào đó sẽ gây ảnh hưởng tới
các chế độ hoạt động khác của động cơ.
Khi động cơ hoạt động ở chế độ một phần tải thì thời điểm đóng muộn xupap
thải có thể mang lại lợi ích lớn từ việc giữ lại một phần khí thải để hạn chế hòa khí
mới nạp vào. Khí thải được giữ lại do đó làm giảm sự hoạt động cần thiết của bớm ga
để điều khiển lượng hòa khí vào buồng đốt và kết quả làm giảm tổn thất bơm trong kỳ
Khảo sát hệ thống phân phối khí trên động cơ đốt trong
Trang 11
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM
Tiểu luận tốt nghiệp
hút tiếp theo. Di chuyển thời điểm đóng trễ xupap thải sẽ làm tăng tuần hoàn khí thải
tương ứng giảm phát thải khí thải làm động cơ thân thiện với môi trường.
Giới hạn bao nhiêu khí thải còn lại trong xylanh là cần thiết để đặc tính sự cháy
vẫn ổn định và không ảnh hưởng tới công suất động cơ. Tuần hoàn khí thải làm giảm
dụng tích xylanh của buồng đốt do lượng khí trơ chiếm chỗ do đó sẽ làm giảm công
suất và gây ra đặc tính cháy xấu. Vì vậy ở chế độ cầm chừng và tốc độ thấp không nên
sử dụng việc lưu hồi để ổn định tốc độ cầm chừng, khi ở tốc độ cao cũng vậy để công
suất và mômen động cơ phát ra đạt tối đa.
Xupap xả
ĐCT
ĐCD
Sau
ĐCT
Cải thiện hiệu quả động cơ
ở chế độ cầm chừng, toàn
tải và tốc độ cao do giảm
EGR
Cải thiện hiệu quả động cơ
ở chế độ tốc độ, tải trung
bình do làm tăng EGR
Hình 2.3. Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm đóng xupap xả
2.4.3 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm mở xupap nạp (Intake Valve
Opening Timing – IVO)
Việc mở xupap nạp cho phép hòa khí vào xylanh từ ống góp hút (trong động cơ
diesel hay động cơ phun xăng trực tiếp thì chỉ có không khí). Thời gian bắt đầu mở
xupap nạp cần chọn sao cho khi áp suất trong xylanh (do giãn nở của khí sót) hạ thấp
hơn áp suất môi chất trên đường nạp thì tiết diện lưu thông của xupap nạp đã đủ lớn để
môi chất mới đi vào. Do đó thường mở sớm xupap nạp trước ĐCT (BTDC). Thời điểm
mở xupap nạp là thông số thứ hai xác định góc trùng điệp của xupap nạp và xupap xả
(cả hai xupap đều mở) đó thời điểm đóng xupap xả và mở xupap nạp thay đổi sẽ làm
thay đổi thời điểm phối khí, thay đổi lượng luân hồi khí thải.
Khảo sát hệ thống phân phối khí trên động cơ đốt trong
Trang 12
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM
Tiểu luận tốt nghiệp
Xupap nạp
Có thể giảm EGR phụ thuộc
vào thời điểm đóng xupap xả
ĐCT
ĐCD
Trước
ĐCT
Có thể tăng EGR phụ thuộc
vào thời điểm đóng xupap xả
Hình 2.4 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm mở xupap nạp
2.4.5 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm đóng xupap nạp (Intake Valve
Closing Timing – IVC)
Hiệu quả thể tích hòa khí nạp vào phụ thuộc vào thời điểm đóng xupap nạp theo
từng tốc độ và tải động cơ. Thời điểm đóng xupap nạp quyết định bao nhiêu hòa khí sẽ
được nạp vào xylanh do đó ảnh hưởng tới tính kinh tế và hiệu quả động cơ.
Để đạt được mômen xoắn tối đa xupap nạp đóng muộn sau khi piston đã vượt
qua điểm chết dưới nhằm nạp thêm môi chất mới vì ở điểm chết dưới tiết diện lưu
thông qua xupap còn lớn, áp suất trong xylanh pa còn thấp hơn áp suất trên đường ống
nạp pk quán tính của môi chất mới từ đường nạp vào xylanh vẫn còn. Do đó có thể kéo
dài quá trình nạp thêm một giai đoạn sau điểm chết dưới cho tới khi áp suất trong
xylanh trở nên lớn hơn pk. Mặt khác còn lợi dụng quán tính của dòng khí nạp tốc độ
cao để nạp thêm môi chất giúp tối đa lượng hòa khí nạp vào để công suất và mômen
động cơ phát ra tối đa.
Việc đóng sớm xupap nạp sẽ làm giảm hòa khí nạp vào xylanh giúp tiết kiệm
nhiên liệu ở chế độ tải nhỏ. Việc đóng sớm xupap nạp ở chế độ tải nhỏ còn giúp hạn
chế hòa khí quay trở lại ống góp hút và hạn chế tổn thất bơm.
Khảo sát hệ thống phân phối khí trên động cơ đốt trong
Trang 13
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM
Tiểu luận tốt nghiệp
Xupap nạp
Đóng trễ sau ĐCD
giúp tăng mômen xoắn
tối đa
ĐCT
ĐCD
Sau
ĐCD
Đóng gần ĐCD làm
giảm hòa khí nạp giúp
tiết kiệm nhiên liệu ở
chế độ tải nhỏ
Hình 2.5 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm đóng xupap nạp
Thời gian mở sớm và đóng muộn của các xupap theo góc quay trục khuỷu tính
bằng độ tạo thành pha phân phối khí của động cơ. Động cơ vận tải hoạt động ở các tốc
độ khác nhau mà mỗi tốc độ lại tương ứng với một pha phân phối khí tối ưu đảm bảo
cho hệ số nạp đạt cực đại. Nhưng trên thực tế các động cơ cổ điển không thể thay đổi
được điều này. Pha phân phối khí trong mỗi động cơ được quyết định sau khi thử
nghiệm và lấy ở tốc độ xe hay hoạt động.
Bảng 2.1. Pha phân phối khí ở một số động cơ cổ điển
Xupap nạp
Xupap xả
Loại động
Tốc độ
Mở trước Đóng sau Mở trước Đóng sau
cơ
động cơ
ĐCT
ĐCD
ĐCD
ĐCT
Động cơ xăng ô tô
0
Zill 130
3200
31
830
670
470
Peugeot
5400
00
30030’
350
4030’
Renault
4500
60
300
450
70
Động cơ diesel không tăng áp
D6
1500
200
480
480
200
Man
2000
20
250
400
80
Henshel
2200
170
420
420
170
Góc trùng
điệp
780
4030’
130
400
100
340
Trên các động cơ hiện đại có trang bị hệ thống phân phối khí thông minh thì
pha phân phối khí có thể điều chỉnh trong phạm vi nhất định sao cho động cơ hoạt
động hiệu quả ở mọi chế độ.
Khảo sát hệ thống phân phối khí trên động cơ đốt trong
Trang 14
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM
Tiểu luận tốt nghiệp
Đường mômen
động cơ
4
5
Tải
động cơ
3
1 và 2
Tốc độ động cơ
Hình 2.6 Đồ thị mômen động cơ
Ở chế độ cầm chừng (phạm vi số 1 trên biểu đồ) công sinh ra chỉ cần để thắng
các lực ma sát nên tốc độ động cơ thấp và khi có sự tăng tải bất ngờ thì động cơ dễ bị
chết máy. Chế độ này yêu cầu tỉ lệ hòa khí nạp vào xylanh động cơ đậm hơn và việc
thải sạch khí thải để hệ số khí sót thấp dẫn tới môi chất công tác được tốt hơn. Lúc này
cần pha phân phối khí trễ hơn tức điều chỉnh góc trùng điệp ( ϕ1 + ϕ4 ) nhỏ lại để khí
cháy được thải sạch ra ngoài, giảm khí xả chạy ngược lại phía nạp. Điều này làm ổn
định chế độ không tải.
ĐCT
Góc trùng điệp nhỏ nhất
Xả
Nạp
ĐCD
Hình 2.7Chế độ cầm chừng
Khi ở chế độ tải nhẹ (phạm vi số 2 trên biểu đồ) nghĩa là áp suất trên ống góp
hút rất thấp nên có xu hướng hút khí xả trên ống góp xả lại nên thời điểm phối khí của
trục cam nạp cũng cần được làm trễ lại và độ trùng điệp xupap ( ϕ1 + ϕ4 ) giảm đi. Điều
này làm ổn định tốc độ động cơ.
Khảo sát hệ thống phân phối khí trên động cơ đốt trong
Trang 15
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM
ĐCT
Tiểu luận tốt nghiệp
Góc trùng điệp nhỏ
Xả
Nạp
ĐCD
Hình 2.8. Khi ở chế độ tải nhẹ
Chế độ tải trung bình (phạm vi số 3 trên biểu đồ) pha phân phối khí của động
cơ được điều chỉnh sớm và độ trùng lặp xupap tăng lên để tăng tuần hoàn khí thải
(EGR). Điều này cải thiện ô nhiễm khí xả và tính tiết kiệm nhiên liệu, hiệu suất làm
việc của động cơ tăng lên.
ĐCT
Góc trùng điệp lớn
Xả
Nạp
ĐCD
Hình 2.9Chế độ tải trung bình
Trong phạm vi tốc độ thấp tới trung bình với tải nặng (phạm vi số 4 trên biểu
đồ) do lúc này tốc độ động cơ thấp và tải nặng nên áp suất trên đường ống nạp lớn hơn
xupap nạp cần được đóng sớm lại để hòa khí nạp vào đảm bảo vừa đủ cải thiện hiệu
suất thể tích nạp. Điều này làm cải thiện mômen xoắn ở tốc độ thấp tới trung bình.
Khảo sát hệ thống phân phối khí trên động cơ đốt trong
Trang 16
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM
Tiểu luận tốt nghiệp
ĐCT
Xả
Nạp
Đóng sớm xupap nạp
ĐCD
Hình 2.10 Tốc độ thấp tới trung bình với tải nặng
Trong phạm vi tốc độ cao với tải cao (phạm vi số 5 trên biểu đồ) thì cần làm
chậm thời điểm đóng xupap nạp để lợi dụng quán tính của dòng khí nạp tốc độ cao
làm cải thiện hiệu suất thể tích nạp. Điều này cải thiện công suất đầu ra.
ĐCT
Xả
Nạp
Đóng trễ xupap nạp
ĐCD
Hình 2.11 Tốc độ cao với tải cao
Khi nhiệt độ động cơ thấp giảm góc trùng điệp xupap để ngăn chặn sự cháy xấu
và ổn định tốc độ không tải nhanh.
Khảo sát hệ thống phân phối khí trên động cơ đốt trong
Trang 17
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM
ĐCT
Tiểu luận tốt nghiệp
Giảm góc trùng điệp
Xả
Nạp
ĐCD
Hình 2.12Khi nhiệt độ động cơ thấp
Khi khởi động hoặc khi động cơ ngừng góc trùng điệp ở vị trí nhỏ nhất để cải
thiện tính khởi động và cho lần khởi động tiếp theo.
ĐCT
Góc trùng điệp nhỏ nhất
Xả
Nạp
ĐCD
Hình 2.13 Khi khởi động hoặc khi động cơ ngừng
2.5 Nguyên lý điều chỉnh trên các hệ thống phân phối khí thông minh
Do động cơ trên ô tô hoạt động luôn thay đổi tốc độ mà mỗi tốc độ lại tương
ứng với các thông số thời điểm, độ nâng và thời gian mở của các xupap rất khác nhau.
Nếu đặt điều kiện hoạt động tối ưu của các xupap ở tốc độ thấp thì quá trình đốt nhiên
liệu lại không hiệu quả khi động cơ hoạt động ở tốc độ cao, khiến công suất chung của
động cơ bị giới hạn. Ngược lại, nếu đặt điều kiện tối ưu ở tốc độ cao thì động cơ lại
hoạt động không tốt ở tốc độ thấp.
Khảo sát hệ thống phân phối khí trên động cơ đốt trong
Trang 18
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM
Tiểu luận tốt nghiệp
CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÍ BIẾN
THIÊN
3.1 Giới thiệu hệ thống phân phối khí VVT
3.1.1 Lịch sử.
Hệ thống VVT (Variable Valve Timing) đã được sử dụng rộng khắp và được
nhiều công ty sản xuất ô tô áp dụng cách đây cũng hơn 40 năm. Hệ thống VVT đơn
giản đã được sử dụng và đem lại kết quả khả quan. Hệ thống gồm hai bộ phận chính
là: solenoid điều khiển dầu và cơ cấu VVT. Trên hình đã thể hiện một vài bộ phận rời,
nhưng có thể thấy rõ được hai bộ phận chính: cơ cấu ròng rọc VVT và OCV ( Oil
Control Valve, hoặc oil solenoid)
Cảm biến vị trí trục cam
Puly VVT
OCV
ECU
Rãnh then hoa
Bơm dầu
Hình 3.1 Cơ cấu VVT cổ điển
Hệ thống VVT ban đầu hoạt động một cách tương đối đơn giản: tại số vòng
quay cố định (4400 vòng/phút trên động cơ 20 xupap 4AGE) tín hiệu từ máy tính sẽ
làm cho OCV mở, nó sẽ làm cho áp suất dầu đi qua một đường đặc biệt trong cam nạp,
đi xuyên qua trung tâm của cam nạp tới pully VVT. Trong đó có một piston nhỏ, áp
suất dầu này sẽ đẩy piston ra phía sau, làm cho phần phía ngoài của pully điều chỉnh
đúng với phần bên trong, vì then hình trôn ốc nên điều khiển hướng đi của piston. Như
vậy, khi tín hiệu từ máy tính làm VVT hoạt động, OCV mở, đó là nguyên nhân làm
pully VVT hoạt động sớm hơn 300 góc quay trục khuỷu (sớm hơn 15 0 so với bản thân
pully).
Hệ thống VVT-i là một kỹ thuật thay đổi thời điểm phối khí được phát triển bởi
TOYOTA. Hệ thống VVT-i đã thay thế hệ thống VVT đơn giản vào năm 1991 trên
động cơ 4A-GE 20 xupap. Hệ thống VVT-i được giới thiệu vào năm 1996, thay đổi
thời điểm của xupap nạp bằng cách điều chỉnh mối quan hệ giữa trục cam điều khiển
(dây đai, vị trí bánh răng hoặc dây xích).
Khảo sát hệ thống phân phối khí trên động cơ đốt trong
Trang 19
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM
Tiểu luận tốt nghiệp
Hệ thống VVT-i thiết kế cùng hệ thống phun xăng của hãng Toyota hoạt động
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.
Áp suất dầu của động cơ sẽ đẩy tới bộ truyền động cho đúng với vị trí trục
cam. Năm 1998 Dual VVT-i (Điều chỉnh cả xupap xả và xupap nạp) được giới thiệu
trên động cơ RS2000 Altezza’s 3S- GE. Dual VVT-i còn được sử dụng trên động cơ
V6 mới 3.5L2GR-FE V6. Động cơ này được sử dụng trên các loại xe như Avalon,
RAV4 và Camry ở Mỹ, Aurion ở Australia và một vài model ở Nhật, có cả xe Estima..
Hình 3.2 Cơ cấu VVT-i của hãng Toyota.
Thông thường, thời điểm phối khí của động cơ đều được cố định, nhưng hệ
thống VVT-i đã sử dụng áp suất thủy lực để xoay trục cam nạp và làm cơ cấu này tối
ưu hoá 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 điện tử điều khiển xupap nạp biến
thiên VVT-i được thiết kế với mục đích nâng cao mômen xoắn của động cơ, cắt giảm
tiêu thụ nhiên liệu và khí thải độc hại
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 xupap, cảm biến VVT, vị trí bướm ga,
lưu lượng khí nạp, vị trí truc khuỷu, nhiệt độ nước. Ngoài ra, VVT-i thường được thiết
Khảo sát hệ thống phân phối khí trên động cơ đốt trong
Trang 20
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM
Tiểu luận tốt nghiệp
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 3.3 Các cảm biến gửi về ECU điều khiển VVT-i
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 đưa về ECU để tính toán thông số phối khí
theo yêu cầu chủ động. Các cảm biến nhiệt độ nước làm mát động cơ cung cấp dữ liệu
hiệu chỉnh, còn các cảm biến vị trí 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 góc đóng mở của các xupap.
Áp lực dầu sẽ tác động thay đổi vị trí bộ điều khiển phối khí, mở các xupap vào
thời điểm thích hợp. Như vậy, thay cho hệ thống cam kiểu cũ với thời điểm mở xupap
không đổi, VVT-i đã điều chỉnh vô cấp hoạt động của các góc phối phí xupap.
Thời điểm mở biến thiên theo sự phối hợp của 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 đặt ở ống góp xả cho biết tỷ lệ % nhiên
liệu được đốt cháy. 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.
3.1.2 Cấu tạo
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 để điều khiển đường đi của dầu.
Khảo sát hệ thống phân phối khí trên động cơ đốt trong
Trang 21
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM
Tiểu luận tốt nghiệp
Hình 3.4 Cấu tạo của 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 đi từ phía làm sớm hay làm muộn trục
cam nạp sẽ xoay các cánh gạt của bộ điều khiển VVT-i 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 truyền 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 3.5 Cấu tạo van điều khiển dầu phối khí trục cam
3.1.3 Nguyên lý hoạt động
Khảo sát hệ thống phân phối khí trên động cơ đốt trong
Trang 22
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM
Tiểu luận tốt nghiệp
Hệ thống được thiết kế để điều khiển thời điểm phối khí bằng cách xoay trục
cam tính theo 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.
• Làm sớm thời điểm phối khí :
Khi van điều phối được đặt ở vị trí như trên hình vẽ, bộ ECU của động cơ điều
khiển 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 3.6 Van điều phối dầu ở vị trí phía làm sớm.
• Làm muộn thời điểm phối khí :
Khảo sát hệ thống phân phối khí trên động cơ đốt trong
Trang 23
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM
Tiểu luận tốt nghiệp
Khi ECU đặt van điều phối trục cam ở vị trí như trong hình vẽ, áp suất dầu tác
động 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 3.7 Van điều phối dầu ở vị trí phía làm muộn
• Giữ ổn định :
Khảo sát hệ thống phân phối khí trên động cơ đốt trong
Trang 24
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM
Tiểu luận tốt nghiệp
Hình 3.8 Van điều phối dầu ở vị trí ổn định
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.
• 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 điệp xupap
giảm đi để giảm khí xả chạy ngược lại phía đường 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 điệp xupap tăng lên để tăng
lượng khí xả luân hồi nội bộ và giảm tổn thất khí động do đó cải thiện tính kinh tế
nhiên liệu và giảm nồng độ khí xả độc hại. Ngoài ra, cùng lúc đó thời điểm đóng
xupap nạp được đẩy sớm lên để giảm hiện tượng khí hỗn hợp quay ngược lại đường
nạp và cải thiện hiệu quả nạp.
• Khi tốc độ cao và tải nặng :
Khảo sát hệ thống phân phối khí trên động cơ đốt trong
Trang 25
