khai thác một số hệ thống phân phối khí thông minh

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SVTH: NGUYỄN VĂN NHỰT

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu do tôi thực hiện.
Các số liệu và kết luận nghiên cứu trình bày trong luận văn chưa từng được công
bố ở các nghiên cứu khác.
Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.

Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2015
Nguyễn Văn Nhựt

Trang 1


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SVTH: NGUYỄN VĂN NHỰT
MỤC LỤC

Trang 2


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SVTH: NGUYỄN VĂN NHỰT

LỜI NĨI ĐẦU
Ơ tơ đã trở thành phương tiện quan trọng không thể thiếu trong cuộc sống ngày

nay. Nhưng ngồi những cơng dụng như vận chuyển người và hàng hóa thì nó vẫn tồn
tại một số nhược điểm cơ bản như tiêu hao nhiên liệu cao trong khi nguồn dầu mỏ
đang cạn kiệt dần và nhất là gây ô nhiễm môi trường. Để khắc phục những nhược
điểm trên đã có rất nhiều cải tiến trong động cơ đốt trong như hệ thống phun nhiên liệu
và đánh lửa bằng điện tử , cải tiến trong hệ thống nạp và thải của động cơ…Gần đây
những cải tiến quan trọng nhằm tối ưu hóa hiệu suất động cơ thường liên quan tới hệ
thống nạp và đó là lý do em quyết định chọn đề tài “Nghiên cứ, khai thác một số hệ
thống phân phối khí thơng minh và xây dựng mơ hình điện thân xe ” do Thầy ThS.
Dương Minh Thái hướng dẫn.
Trong đề tài này em tập trung nghiên cứu cơ sở lý thuyết của hệ thống phân
phối khí và đi sâu vào việc tối ưu hóa thời gian, thời điểm, độ nâng và góc đóng mở
của xupap để làm tăng công suất động cơ, tiết kiệm nhiên liệu, thân thiện với môi
trường. Phần sau em phân tích kết cấu và nguyên lý hoạt động của các hệ thống phân
phối khí thơng minh trên các hãng xe phổ biến ở thị trường Việt Nam như TOYOTA,
HONDA, MITSUBISI, BMW mục đích giúp cho các kỹ sư, kỹ thuật viên và thợ sủa
chữa ô tô trong việc bảo dưỡng, sửa chữa. Ngồi ra đề tài cịn có ý nghĩa trong việc
giảng dạy giúp sinh viên hiểu biết sâu hơn về hệ thống phân phối khí trên các động cơ
hiện đại ngày nay.

Chương 1 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ THỐNG PHÂN PHỐI
KHÍ

Trang 3


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SVTH: NGUYỄN VĂN NHỰT

1.1. Nhiệm vụ, yêu cầu, phân loại

1.1.1. Nhiệm vụ
Hệ thống phân phối khí dùng để nạp đầy hỗn hợp hịa khí đối với động cơ xăng
hay khơng khí sạch đối với động cơ diesel vào các xylanh ở kỳ nạp và thải sạch khí
thải trong xylanh ở kỳ xả.
1.1.2. Yêu cầu
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
Đảm bảo việc nạp đầy nghĩa là hệ số nạp ηv phải lớn và việc xả sạch nghĩa là hệ
số khí sót γ r phải nhỏ.
Đảm bảo trị số “thời gian - tiết diện” thông qua phải lớn để dịng khí dễ lưu
thơng.
Làm việc êm dịu, độ tin cậy và tuổi thọ cao, thuận tiện trong việc chế tạo, bảo
dưỡng, sửa chữa.
1.1.3. Phân loại
Hệ thống phân phối khí dùng cam và xupap được dùng phổ biến trên ĐCDT do
kết cấu đơn giản và dễ dàng điều chỉnh. Loại này lại được phân ra nhiều loại:
• Kiểu xupap treo: dùng phổ biến trên các động cơ hiện đại
 Loại OHV (OverHead Valve): trục cam đạt dưới thân máy, xupap
bố trí trên nắp máy và được điều khiển qua con đội, đũa đẩy và cò
mổ.
 Loại OHC (OverHead Camshaft): loại có một trục cam đặt trên nắp
máy SOHC (Single OverHead Camshaft) và hai trục cam đặt trên
nắp máy DOHC (Double OverHead Camshaft) điều khiển trực tiếp
xupap hoặc thơng qua cị mổ.
• Kiểu xupap đặt: ngày nay ít được sử dụng nên không đề cập trong đề tài.
Hệ thống phân phối khí dùng pittơng đóng mở các cửa nạp và cửa thải thường
được dùng trên động cơ 2 kỳ, có ưu điểm kết cấu đơn giản khơng phải điều chỉnh sửa
chữa nhưng chất lượng trao đổi khí khơng tốt
Hệ thống phân phối khí dùng van trượt trên xe đặc chủng và xe đua có tiết diện
thơng qua lớn, chất lượng trao đổi khí cao nhưng giá thành chế tạo mắc.

Hệ thống điều khiển xupap bằng điện từ EVA (Electro-magnetic Valve Actuation

Trang 4


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SVTH: NGUYỄN VĂN NHỰT

Systems). ECU nhận tín hiệu từ các cảm biến điều khiển cuộn solenoid hay nam châm
điện đóng mở trực tiếp xupap, hệ thống này khơng sử dụng trục cam và có thể thay đổi
được thời điểm, thời gian và độ nâng xupap một cách tối ưu tùy thuộc vào các chế độ
hoạt động của động cơ.
1.2.

Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của một số hệ thống phân phối khí phổ

biến trên ĐCDT hiện nay
1.2.1. Hệ thống phân phối khí xupap treo loại OHV

Hình 1.1 Kết cấu xupap treo loại OHV
1-Ống dẫn hướng. 2-Lò xo xupap. 3-Đĩa lị xo. 4-Móng hãm. 5-Xupap. 6-Cị mổ.
7-Vít chỉnh xupap. 8-Đế xupap. 9-Đũa đẩy. 10-Con đội. 11- Cam
Nguyên lý làm việc: Trục cam 11 nằm trong thân máy và được dẫn động trực tiếp
bằng bánh răng hoặc qua xích. Khi trục cam quay làm cho bề mặt làm việc của cam
tác động vào con đội 10 đẩy đũa đẩy 9 đi lên làm cò mổ xoay quanh trục của nó. Đầu
kia của cị mổ ấn đi xupap đi xuống, lúc này lò xo bị nén lại. Xupap đi xuống làm
thông của nạp với xylanh động cơ nếu trong kỳ hút hoặc cửa thải với xylanh động cơ
nếu trong kỳ xả. Khi cam 11 quay hết hành trình tác dụng thì lị xo 2 sẽ dãn ra đóng
xupap lại kết thúc quá trình hút hoặc thải. Quá trình này diễn ra liên tục khi động cơ

Trang 5


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SVTH: NGUYỄN VĂN NHỰT

hoạt động, mỗi một chu kỳ xupap hút và xả chỉ mở một lần.
Ưu điểm: có các ưu điểm của loại xupap treo như có thể tăng tí số nén động cơ do
buồng đốt có kết cấu nhỏ lại, diện tích truyền nhiệt giảm nên giảm tổn thất nhiệt, tăng
hệ số nạp và giảm hệ số khí sót do kết cấu đường nạp và thải thơng thống hơn.
Nhược điểm: thân máy và nắp máy có kết cấu phức tạp hơn, tăng chiều cao động cơ
và cơ cấu dẫn động phức tạp.
1.2.2. Hệ thống phân phối khí xupap treo loại OHC

Hình 1.2 Kết cấu xupap treo loại OHC
1-Xupap. 2-Ống dẫn hướng. 3-Lò xo xupap. 4-Đĩa lị xo. 5-Con đội. 6-Cam.
7-Móng hãm. 8-Đế xupap
Ngun lý làm việc: trục cam 6 đặt trên nắp máy và được dẫn động bằng trục
khuỷu thơng qua dây đai hoặc xích. Nguyên lý làm việc được chia làm hai quá trình cơ
bản sau: quá trình vấu cam đẩy mở xupap và q trình lị xo giãn đóng kín xupap.
Q trình vấu cam đẩy mở xupap: khi động cơ làm việc trục khuỷu quay làm
cho bánh xích dẫn động cơ cấu phân phối khí lắp ở đầu trục khuỷu quay theo, thơng
qua bộ truyền động xích hoặc đai trung gian dẫn động các bánh xích hoặc bánh đai lắp
ở đầu các trục cam do đó làm cho các trục cam đóng mở xupap quay. Khi các vấu cam
tiếp xúc với con đội 5 làm con đội bắt đầu chuyển động đi xuống tác động vào đĩa lò
xo ép lò xo xupap 3 nén lại đồng thời xupap chuyển động đi xuống làm mở các cửa
nạp nếu trong giai đoạn nạp khí vào xylanh động cơ và cửa thải nếu trong quá trình
thải thực hiện q trình nạp mơi chất mới và thải khí cháy ra ngồi.

Q trình lị xo giãn đóng kín xupap: khi trục cam tiếp tục quay, vấu cam di

Trang 6


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SVTH: NGUYỄN VĂN NHỰT

chuyển theo cho đến khi đỉnh của vấu cam vượt qua đường tâm con đội. Lúc này con
đội 5 bắt đầu di chuyển đi lên, lò xo xupap 3 từ từ giãn ra nhờ vào đĩa chặn lị xo 4
cùng với các móng hãm đẩy xupap tịnh tiến về vị trí ban đầu thực hiện q trình đóng
kín xupap. Chu trình đóng mở được lặp đi lặp lại như vậy tuân theo chu kì làm việc
của pha phân phối khí.
Ưu điểm: giống loại xupap treo OHV, trục cam nằm trên nắp máy thuận tiện
trong việc bảo dưỡng, sửa chữa, lắp ghép.
Nhược điểm: dẫn động trục cam phức tạp hơn, nắp máy khó đúc.
1.2.3. Hệ thống phân phối khí khơng trục cam (Camless)
Gồm có loại điện từ, điện–thủy lực và loại thủy lực. Dưới đây trình bày loại
điện từ EVA (Electro-magnetic Valve Actuation Systems)
Nam châm điện
Phần ứng

Chén chặn

Lị xo giãn
Lị xo nén
Lị xo
Hình 1.3 Cấu tạo của hệ thống điều khiển xupap bằng điện từ EVA
Trục cam Xupap cơ cấu phức tạp, làm tăng trọng lượng động cơ và tiêu hao

là một
nhiều công suất do mất mát ma sát. Do kết cấu vật lý nên một cam chỉ điều khiển
chuyển động của một xupap với các thông số thời điểm và độ nâng hạn chế do đó sẽ
khơng tối ưu cho tất cả các chế độ hoạt động của động cơ. Những tiến bộ trong công
nghệ điều khiển thay đổi thời gian và độ nâng xupap VVT trong những năm gần đây
đã cải thiện được hiệu suất và hiệu quả động cơ tuy nhiên các hệ thống này vẫn còn
phức tạp và chưa tối ưu. Hệ thống phân phối khí khơng trục cam được phát minh đã
mang lại bước đột phá mới trong động cơ đốt trong. Với công nghệ này động cơ không
cần sử dụng bướm ga đã làm giảm sự cản trên đường ống nạp và tổn thất do bơm, việc
điều khiển lượng hịa khí mới vào trong xylanh bằng việc thay đổi thời gian và hành
trình xupap.

Trang 7


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SVTH: NGUYỄN VĂN NHỰT

Cấu tạo cơ cấu chấp hành gồm nam châm điện (electromagnet) được đặt phía
trên đỉnh xupap, miếng sắt từ đóng vai rị phần ứng được kết nối với đi xupap, các
lị xo hồn lực, chén chặn và xupap.
Khi nam châm điện phía trên được kích hoạt sẽ tạo ra một lực từ trường hút
miếng sắt phần ứng lên trên cùng làm cho xupap ở vị trí đóng
Khi từ tính do nam châm điện phía trên bị ngắt, miếng sắt phần ứng kết nối với
đuôi xupap sẽ bị kéo xuống bởi lò xo. Bộ chấp hành nam châm điện phía dưới sẽ duy
trì xupap ở vị trí mở.

Hình 1.4 Cấu trúc hệ thống
1-Tín hiệu từ các cảm biến. 2- ECU. 3- Bộ chấp hành điều khiển xupap hút

4-Xupap hút. 5- Bộ chấp hành xupap xả. 6- Xupap xả
Hệ thống sử dụng các nam châm điện 3 và 5 để đóng mở xupap 4 và 6. Tín hiệu
nhập vào từ các cảm biến 1 thơng qua mạch giao tiếp nhập/xuất như vị trí pittơng, tốc
độ động cơ, tố độ xe, nhiệt độ nước làm mát, áp suất khí nạp…ECU liên tục nhận tín
hiệu từ các cảm biến sau đó tính tốn thời gian và độ nâng xupap tối ưu để điều khiển
bộ chấp hành nam châm điện. Sự chính xác của tín hiệu đầu vào là rất quan trọng để
động cơ hoạt động hiệu quả.
Ưu điểm: giảm 20% lượng tiêu thụ nhiên liệu, 20% các khí thải ô nhiễm và
tăng 20% mômen xoắn ở tốc độ thấp, giảm ma sát do dễ bôi trơn và kết cấu đơn giản
khơng cịn các bộ phận truyền động, nắp máy được đơn giản hóa.
Nhược điểm: tuy có rất nhiều ưu điểm nhưng động cơ với xupap điều khiển
điện tử vẫn có những khiếm khuyết như khả năng xảy ra trục trặc lớn do lệ thuộc nhiều
vào các thiết bị điện tử. Nếu máy tính điện tử gặp sự cố hoặc hệ thống điện có trục
trặc, rất có thể động cơ sẽ cho ra lượng khí thải độc hại lớn hoặc tệ hơn nếu xupap
đóng mở khơng đúng thời điểm sẽ phá vỡ đỉnh pittông, hư hỏng động cơ.

Trang 8


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SVTH: NGUYỄN VĂN NHỰT

1.3. Ảnh hưởng của việc thay đổi pha phân phối khí tới hiệu quả động cơ (Cơng
nghệ thay đổi thời điểm phối khí VVT-Variable Valve Timing)
Trước khi đi sâu nghiên cứu về sự thay đổi pha phân phối khí trên các hệ thống
phân phối khí thơng minh tới hiệu quả động cơ ta đi tìm hiểu ảnh hưởng của pha phân
phối khí tới q trình thải và nạp của động cơ bốn kỳ cổ điển.
Theo lý thuyết đơn giản với 7200 góc quay trục khuỷu thì mỗi kỳ tương ứng với
1800 và xupap xả bắt đầu mở khi pittông ở điểm chết dưới đầu kỳ xả và đóng lại khi

pittơng tới điểm chết trên và lúc này xupap hút mở và khi pittông tới điểm chết dưới
trong kỳ nạp thì đóng lại. Tuy nhiên trên các động cơ đốt trong thực tế thì có sự thay
đổi thời điểm mở và khoảng thời gian mở các xupap sao cho động cơ hoạt động với
hiệu quả cao nhất đồng thời khí thải phát
ra ít gây ơ nhiễm mơi trường.
Hình 1.5 Pha phân phối khí động cơ
bốn kỳ khơng 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

- góc đánh lửa hoặc phun dầu sớm

Trang 9


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SVTH: NGUYỄN VĂN NHỰT

1.3.1. Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm mở xupap xả (Effects of Changes to
Exhaust Valve Opening Timing – EVO)
Xupap thải bắt đầu mở sẽ làm cho áp suất cao trong xylanh trong q trình đốt
cháy được thốt ra ngồi qua hệ thống xả.
Xupap thải mở sớm trước khi pittông 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 thốt ra ngồi 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 thơng 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 pittông đi ngược từ điểm chết dưới lên điểm chết trên. Khi đã mở
sớm xupap thải vào thời điểm hợp lý sẽ làm giảm cơng tiêu hao cho việc đẩy khí thải
ra ngoài.
Nhưng nếu mở xupap thải quá sớm sẽ làm giảm cơng giãn nở trên đồ thị cơng
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. Cịn trên
các động cơ có trang bị hệ thống phân phối khí thơng 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 cơ.
Trong chế 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 pittơng tới
ĐCD vì cần có đủ thời gian để đẩy sạch khí cháy ra ngồi, tuy mất một ít cơng trên đồ
thị p-v nhưng bù vào đó q 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
Cải thiện mômen xoắn ở tốc độ thấp và hiệu quả ở tải nhỏ
ĐCD

Trang 10

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SVTH: NGUYỄN VĂN NHỰT

Hình 1.6 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm mở xupap xả
1.3.2. Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm đóng xupap xả (Effects of Changes
to Exhaust Valve Closing Timing – EVC)
Xupap thải bao giờ cũng đóng trễ sau khi pittơng đã đi qua điểm chết trên nhằm
đảm bảo cho sản vật cháy được thốt hết ra ngồi, mặt khác lợi dụng chênh áp để sản
vật cháy được thải tiếp giảm lượng khí sót cịn lại trong xylanh. Ngồi ra việc đóng
muộn xupap thải cịn nhằm sử dụng qn 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 cịn 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 cịn lại trong xylanh là ít nhất
để tối đa lượng hịa khí mới nạp vào trong xylanh trong kỳ hút kế tiếp. Điều này địi
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 dịng 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 ngồi 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 hịa 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 hịa khí vào buồng đốt và kết quả làm giảm tổn thất bơm trong kỳ hút tiếp
theo. Di chuyển thời điểm đóng trễ xupap thải sẽ làm tăng tuần hồn khí thải tương

ứng giảm phát thải khí thải làm động cơ thân thiện với môi trường.
Giới hạn bao nhiêu khí thải cịn lại trong xylanh là cần thiết để đặc tính sự cháy
vẫn ổn định và khơng ảnh hưởng tới cơng suất động cơ. Tuần hồn khí thải làm giảm
dung tích xylanh của buồng đốt do lượng khí trơ chiếm chỗ do đó sẽ làm giảm cơng
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.

Trang 11


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SVTH: NGUYỄN VĂN NHỰT

Xupap xả
Cải thiện hiệu quả động cơ ở chế độ cầm chừng, toàn tải và tốc độ cao do giảm EGR
ĐCT
Sau
Cải thiện hiệu quả động cơ ở chế độ tốc độ, tải trung bình do làm tăng EGR
ĐCT

ĐCD

Hình 1.7 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm đóng xupap xả
1.3.3. Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm mở xupap nạp (Effect of changes to
Intake Valve Opening Timing – IVO)
Việc mở xupap nạp cho phép hịa khí vào xylanh từ ống góp hút (trong động cơ
diesel hay động cơ phun xăng trực tiếp thì chỉ có khơng 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 mơi chất trên đường nạp thì tiết diện lưu thơng 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) ( ϕ1 + ϕ4 ) đó đó thời điểm đóng xupap xả và mở xupap nạp thay
đổi sẽ làm thay đổi thời điểm phối khí, thay đổi lượng ln hồi khí thải.
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

Trang 12


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SVTH: NGUYỄN VĂN NHỰT

Hình 1.8 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm mở xupap nạp
1.3.4. Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm đóng xupap nạp (Effect of changes
to Intake Valve Closing Timing – IVC)
Hiệu quả thể tích hịa 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 hịa khí sẽ
được nạp vào xylanh do đó ảnh hưởng tới tính kinh tế và hiệu quả động cơ.
Để đạt được mơmen xoắn tối đa xupap nạp đóng muộn sau khi pittông đã vượt

qua điểm chết dưới nhằm nạp thêm mơi chất mới vì ở điểm chết dưới tiết diện lưu
thơng qua xupap cịn lớn, áp suất trong xylanh p a còn thấp hơn áp suất trên đường ống
nạp pk qn tính của mơi chất mới từ đường nạp vào xylanh vẫn cịn. Do đó có thể kéo
dài q trình nạp thêm một giai đoạn sau điểm chết dưới cho tới khi áp suất trong
xylanh trở nên lớn hơn pk. Mặt khác cịn lợi dụng qn tính của dịng khí nạp tốc độ
cao để nạp thêm môi chất giúp tối đa lượng hịa khí nạp vào để cơng suất và mơmen
động cơ phát ra tối đa.
Việc đóng sớm xupap nạp sẽ làm giảm hịa 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 hịa khí quay trở lại ống góp hút và hạn chế tổn thất bơm.
Xupap nạp

ĐCT

Đóng trễ sau ĐCD giúp tăng mơmen xoắn tối đa

ĐCD

Sau
ĐCD
Đóng gần ĐCD làm giảm hịa khí nạp giúp tiết kiệm nhiên liệu ở chế độ tải nhỏ

Hình 1.9 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 đinh sau khi thử
nghiệm và lấy ở tốc độ xe hay hoạt động.

Trang 13


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Loại động
cơ

SVTH: NGUYỄN VĂN NHỰT

Xupap nạp

Tốc độ
động cơ

Góc trùng
điệp

Xupap xả

Mở trước Đóng sau Mở trước Đóng sau
ĐCT
ĐCD
ĐCD
ĐCT
Động cơ xăng ô tô
0
Zill 130
3200
31

830
670
470
780
Peugeot
5400
00
30030’
350
4030’
4030’
Renault
4500
60
300
450
70
130
Động cơ diesel không tăng áp
D6
1500
200
480
480
200
400
Man
2000
20
250

400
80
100
Henshel
2200
170
420
420
170
340
Pha phân phối khí ở một số động cơ cổ điển
Trên các động cơ hiện đại có trang bị hệ thống phân phối khí thơng 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.
Đường mômen động cơ
4

5
Tải động cơ
3
1 và 2
Hình 1.10 Đồ thị mơmen động cơ
Ở chế độ cầm chừng (phạm vi số 1 trên biểu đồ) công sinh ra chỉ cần để thắng
Tốc khi có cơ
các lực ma sát nên tốc độ động cơ thấp vàđộ độngsự tăng tải bất ngờ thì động cơ dễ bị
chết máy. Chế độ này yêu cầu tỉ lệ hịa 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
ĐCT
ĐCT

cháy được thải sạch ra ngồi, giảm khí xả Góc trùng điệp nhỏ nhất Điều này làm ổn
chạy ngược lại phía nạp.
Góc trùng điệp nhỏ nhất
định chế độ không tải.
XảXả

Nạp
Nạp

Trang 14

ĐCD
ĐCD


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SVTH: NGUYỄN VĂN NHỰT

Hình 1.11 Chế 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.
ĐCT

Góc trùng điệp nhỏ

Xả

Nạp

Hình 1.12 Khi ở chế độ tải nhẹ
Chế độ tải trung bình (phạm vi số 3 trên biểu đồ) pha phân phối khí của động
ĐCD
cơ được điều chỉnh sớm và độ trùng lặp xupap tăng lên để tăng tuần hồn khí thải
(EGR). Điều này cải thiện ơ 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

Hình 1.13 Chế độ tải trung bình
ĐCD
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 hịa khí nạp vào đảm bảo vừa đủ cải thiện hiệu
Trang 15


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SVTH: NGUYỄN VĂN NHỰT

suất thể tích nạp. Điều này làm cải thiện mômen xoắn ở tốc độ thấp tới trung bình.

ĐCT

Hình 1.14 Tốc độ thấp tới trung bình với tải nặng
Xả
Nạp
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 qn tính của dịng khí nạp tốc độ cao
Đóng sớm xupap nạp
làm cải thiện hiệu suất thể tích nạp. Điều này cải thiện cơng suất đầu ra.
ĐCD
ĐCT

Xả

Nạp

Đóng trễ xupap Hình 1.15 Tốc độ cao với tải cao
nạp
Khi nhiệt độ động cơ thấp giảm góc trùng điệp xupap để ngăn chặn sự cháy xấu
ĐCD
và ổn định tốc độ không tải nhanh.
ĐCT

Giảm góc trùng điệp

Xả

Nạp

Hình 1.16 Khi nhiệt độ động cơ thấp

Khi khởi động hoặc khi động cơ ngừng góc trùng điệp ở vị trí nhỏ nhất để cải
ĐCD
thiện tính khởi động và cho lần khởi động tiếp theo.

Trang 16


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SVTH: NGUYỄN VĂN NHỰT

ĐCT

Góc trùng điệp nhỏ nhất

Xả

1.4.

Nạp

Hình 1.17 Khi khởi động hoặc khi động cơ ngừng
Ảnh hưởng của việc thayĐCD độ nâng xupap tới hiệu quả động cơ (Công
đổi
nghệ thay đổi độ nâng xupap VVA-Variable Valve Actuation)

Thay đổi độ nâng xupap ảnh hưởng tới tiết diện lưu thơng của dịng khí nạp qua
họng xupap. Ngồi ra nó cịn làm thay đổi trị số “thời gian – tiết diện” A của đường
thông đi qua xupap nạp cũng như xupap xả nhờ đó làm giảm tốc độ dịng chảy và giảm
cản của các xupap, kết quả làm hệ số nạp tăng.

Hệ thống VVT giải quyết vấn đề về góc trùng điệp tại điểm chết trên do đó nó
cũng làm thay đổi thời điểm của các xupap tại điểm chết dưới. Khi ở tốc độ thấp VVT
điều chỉnh góc trùng điệp nhỏ tức mở muộn xupap hút và đóng sớm xupap xả do đó tại
điểm chết dưới nó sẽ giữ mở xupap nạp nhiều hơn cần thiết và mở xupap xả sớm hơn
cần thiết.
Ngoài ra khi độ nâng xupap cịn tương đối nhỏ do độ nhớt của mơi chất làm cho
dịng chảy men sát các mặt cơn của tán và đế xupap điền đầy khe hở đi vào xylanh
(hình a) Khi tăng dần độ nâng xupap mới đầu dòng chảy tách khỏi mặt cơn của tán tạo
nên dịng phun một phía (hình b) tiếp theo dịng chảy tách rời mặt cơn của đế xupap
tạo tia phun tự do (hình c) lúc đó thấy rõ tồn bộ khe hở của tiết diện lưu thông qua
xupap không được lợi dụng hết. Đến khi xupap mở lớn hơn dòng chảy sẽ chịu sự can
thiệp của thành xylanh (hình d). Dựa vào các kết quả trên người ta tìm ra các phương
án nhằm tận dụng hết tiết diện lưu thông qua xupap và giảm cản cho khu vự này.
Khi thay đổi độ nâng của xupap tức ta thay đổi được h và h’ làm cho tiết diện lưu thông
qua xupap f được lớn hơn.

Trang 17


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SVTH: NGUYỄN VĂN NHỰT

Dòng chảy qua xupap

Chương 2: HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÍ THƠNG MINH
TRÊN XE TOYOTA
2.1. Giới thiệu
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 rịng rọc VVT và OCV ( Oil Control Valve, hoặc oil solenoid).
Cảm biến vị trí trục cam
Puly VVT

Rãnh then hoa

OCV

Hình 2.1. Cơ cấu VVT cổ điển.
ECU

Bơm cách
Hệ thống VVT ban đầu hoạt động mộtdầu 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 pittơng nhỏ, áp
suất dầu này sẽ đẩy pittơng ra phía sau, làm cho phần phía ngồi của pully điều chỉnh
đúng với phần bên trong, vì then hình trơn ốc nên điều khiển hướng đi của pittơng.
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 150 so với bản
thân pully).
Hệ thống VVT-i là một kỹ thuật thay đổi thời điểm phối khí được phát triển bởi
Trang 18


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SVTH: NGUYỄN VĂN NHỰT

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).
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 2.2. Cơ cấu VVT-i của hãng Toyota.
Thơng 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 hố
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
Trang 19


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SVTH: NGUYỄN VĂN NHỰT

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
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 2.3 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 tốn thơng 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 thơng 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 tốn
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.
Ngồi ra, cịn 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.

Trang 20


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SVTH: NGUYỄN VĂN NHỰT

2.2. Công nghệ VVT-i (Variable Valve Timing with intelligence)
2.2.1. Cấu tạo của cơ cấu VVT-i
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.

Hình 2.4 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.

Trang 21


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SVTH: NGUYỄN VĂN NHỰT

Hình 2.5 Cấu tạo van điều khiển dầu phối khí trục cam
Nguyên lý hoạt động của van điều phối :
Van điều phối trục cam hoạt động theo sự điều khiển (tỷ lệ hiệu dụng, điều xung
PWM) 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 để làm sớm hay làm muộn góc mở xupap nạp. Khi động cơ
ngừng hoạt động, thời điểm phối khí xupap nạp được giữ ở góc muộn tối đa. Van điều
phối kiểm soát điều khiển áp suất 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
tốn thời điểm đóng mở van 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 tốn thời điểm phối khí thực tế và thực
hiện điều khiển phản hồi để đạt được thời điểm phối khí chuẩn.
2.2.2. Phương pháp thay đổi thời điểm phối khí
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.
2.2.2.1.

Làm sớm thời điểm phối khí

Trang 22


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SVTH: NGUYỄN VĂN NHỰT

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 2.6 Van điều phối dầu ở vị trí phía làm sớm
2.2.2.2.

Làm muộn thời điểm phối khí

Khi ECU đặt van điều phối trục cam ở vị trí như trong hình vẽ, áp suất dầu tác
Trang 23


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SVTH: NGUYỄN VĂN NHỰT

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 2.7 Van điều phối dầu ở vị trí phía làm muộn
2.2.2.3.

Giữ ổn định

ECU động cơ tính tốn góc phối khí chuẩn theo tình trạng vận hành. Sau khi

Trang 24


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SVTH: NGUYỄN VĂN NHỰT

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 2.8 Van điều phối dầu ở vị trí ổn định

Trang 25