Chương 2: HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÍ THÔNG MINH TRÊN XE TOYOTA

Hệ thống phân phối khí thơng minh trên xe Toyota

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 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 2.1. 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 pittông nhỏ, áp
suất dầu này sẽ đẩy pittông 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

TOYOTA. Hệ thống VVT-i đã thay thế hệ thống VVT đơn giản vào năm 1991 trên

GVHD : Th.S Lý Văn Trung

25


Hệ thống phân phối khí thơng minh trên xe Toyota

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.
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.
GVHD : Th.S Lý Văn Trung

26


Hệ thống phân phối khí thơng minh trên xe Toyota

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
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.

GVHD : Th.S Lý Văn Trung

27

Hệ thống phân phối khí thơng minh trên xe Toyota

Ngồi 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.
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.

GVHD : Th.S Lý Văn Trung

28


Hệ thống phân phối khí thơng minh trên xe Toyota

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 sốt 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.

GVHD : Th.S Lý Văn Trung

29


Hệ thống phân phối khí thơng minh trên xe Toyota

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

GVHD : Th.S Lý Văn Trung

30


Hệ thống phân phối khí thơng minh trên xe Toyota

Hình 2.7 Van điều phối dầu ở vị trí phía làm muộn

c. Giữ ổn định :
ECU động cơ tính tốn 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.

GVHD : Th.S Lý Văn Trung

31


Hệ thống phân phối khí thơng minh trên xe Toyota

Hình 2.8 Van điều phối dầu ở vị trí ổn định

• Thời điểm phối khí được điều khiển như sau :
 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 khơng
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. Ngồi 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 :
Thời điểm phối khí cũng sớm lên như trường hợp trên nhưng ở mức cao hơn.
Thời điểm phối khí xupap nạp thay đổi thực tế theo đúng thời điểm tính tốn bằng cảm
biến vị trí trục cam và được điều khiển bằng ECU.
2.3. Công nghệ VVTL-i
2.3.1 Mô tả
Hệ thống VVTL-i dựa trên hệ thống VVT-i và áp dụng một cơ cấu chuyển đổi
vấu cam để thay đổi hành trình của xupap nạp và xả. Điều này cho phép đạt được cơng
suất cao mà khơng ảnh hưởng đến tính kinh tế của nhiên liệu hay ơ nhiễm khí xả.
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.

GVHD : Th.S Lý Văn Trung

32

Hệ thống phân phối khí thơng minh trên xe Toyota

Hình 2.9 Hệ thống VVTL-i
2.3.2 Cấu tạo
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.
Đến cơ cấu chuyển vấu cam

Xả

Áp suất dầu

Ti van

Hình 2.10 Cấu tạo van điều khiển dầu VVTL
GVHD : Th.S Lý Văn Trung

33


Hệ thống phân phối khí thơng minh trên xe Toyota

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.
Trục cam và cò mổ: 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.

Hình 2.11 Trục cam có hai vấu cam
Cơ cấu chuyển vấu cam được lắp bên trong cò mổ giữa xupap và vấu cam. Áp
suất dầu từ van điều khiển dầu của VVTL đến lỗ dầu trong cò mổ và áp suất này đẩy
chốt hãm bên dưới chốt đệm. Nó cố định chốt đệm và ấn khớp cam tốc độ cao.

Hình 2.12 Cấu tạo cơ cấu chuyển vấu cam

GVHD : Th.S Lý Văn Trung

34


Hệ thống phân phối khí thơng minh trên xe Toyota

Khi áp suất dầu ngừng tác dụng, chốt hãm được trả về bằng lực của lò xo và
chốt đệm được tự do. Điều này làm cho chốt đệm có thể di chuyển tự do theo hướng
thẳng đứng và vơ hiệu hóa vấu cam tốc độ cao.
2.3.3 Hoạt động
Trục cam nạp và xả có các vấu cam với 2 hành trình khác nhau cho từng
xylanh, và ECU động cơ chuyển những vấu cam này thành vấu cam hoạt động bằng áp
suất dầu.

Hình 2.13 Điều khiển ở tốc độ thấp, trung bình, cao

GVHD : Th.S Lý Văn Trung

35

Hệ thống phân phối khí thơng minh trên xe Toyota

Mạch dầu điều khiển ở tốc độ thấp và trung bình(tốc độ động cơ dưới 6000
vịng/phút)

Hình 2.14 Mạch điều khiển ở tốc độ thấp và trung bình
(tốc độ động cơ dưới 6000 vịng/phút)
Như hình minh họa ở trên, van điều khiển dầu mở phía xả. Do đó, áp suất dầu
khơng tác dụng lên cơ cấu chuyển vấu cam.

Hình 2.15 Cơ cấu chấp hành
Áp suất dầu không tác dụng lên chốt chặn. Do đó, chốt chặn bị đẩy bằng lị xo
hồi theo hướng nhả khóa. Như vậy, chốt đệm sẽ lặp lại chuyển động tịnh tiến vơ hiệu
hóa. Nó sẽ dẫn động xupap bằng cam tốc độ thấp và trung bình.

GVHD : Th.S Lý Văn Trung

36


Hệ thống phân phối khí thơng minh trên xe Toyota

Tốc độ cao (tốc độ động cơ trên 6000 vòng/phút, nhiệt độ nước làm mát cao
hơn 600 C).

Hình 2.16 Mạch điều khiển ở tốc độ cao
Như trong hình vẽ bên trên, phía xả của van điều khiển dầu được đóng lại sao
cho áp suất dầu tác dụng lên phía cam tốc độ cao của cơ cấu chuyển vấu cam.
Lúc này bên trong cò mổ, áp suất dầu đẩy chốt chặn đến dưới chốt đệm để giữ
chốt đệm và cò mổ. Do đó, cam tốc độ cao ấn xuống cị mổ trước khi cam tốc độ thấp

và trung bình tiếp xúc với con lăn. Nó dẫn động các xupap bằng cam tốc độ cao. ECU
động cơ đồng thời phát hiện rằng vấu cam đã được chuyển sang vấu cam tốc độ cao
dựa trên tín hiệu từ cơng tắc áp suất dầu.
Xả

Tốc độ
thấp
Tốc độ
cao

Mở

Đóng

trước

sau

ĐCD

ĐCT

34°

14°

56°

40°

Nạp
Đóng

Độ

Mở

nâng

trước

sau

(mm)

ĐCT

ĐCD

228°

7,6

-10 - 33°

58 - 15°

228°

7,6

276°

10,0

15- 58°

97 - 54°

292°

11,2

Độ mở

Độ

Độ mở

nâng
(mm)

Hình 2.17 Sự thay đổi các thông số động cơ 2ZZ-GE

GVHD : Th.S Lý Văn Trung

37