NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG VAN BIẾN THIÊN DUAL VVT i CỦA TOYOTA
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.54 MB, 40 trang )
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG VAN BIẾN THIÊN
DUAL VVT-I CỦA TOYOTA
SVTH :
GVHD:
NGUYỄN TẤN XANH
PGS.TS LÝ VĨNH ĐẠT
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2021
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG VAN BIẾN THIÊN
DUAL VVT-I CỦA TOYOTA
SVTH :
GVHD:
NGUYỄN TẤN XANH
PGS.TS LÝ VĨNH ĐẠT
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2021
DANH MỤC CÁC HÌNH ........................................................................................................................... 1
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN ....................................................................................................................... 3
1.1 Lý do chọn đề tài ............................................................................................................................... 3
1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu.................................................................................................... 4
1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................................................. 4
1.2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu ................................................................................................................. 4
1.3 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu ........................................................................................... 4
1.3.1 Đối tượng nghiên cứu................................................................................................................. 4
1.3.2 Phương pháp nghiên cứu........................................................................................................... 4
CHƯƠNG II. NỘI DUNG .......................................................................................................................... 5
2.1 Lý do sử dụng công nghệ .................................................................................................................. 5
2.2 Mô tả hệ thống Dual VVT-i .............................................................................................................. 5
2.2.1 Sơ đồ tổng thể hệ thống Dual VVT-i trên động cơ .................................................................. 5
2.2.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống Dual VVT-i ...................................................................................... 7
2.3 Cấu tạo ............................................................................................................................................... 8
2.3.1 Bộ điều khiển VVT-i. ................................................................................................................. 8
2.3.2 Van điều khiển dầu phối khí trục cam ................................................................................... 10
2.4 Nguyên lý hoạt động ....................................................................................................................... 10
2.4.1 Phương pháp thay đổi thời điểm phối khí ............................................................................. 11
2.4.2. Điều khiển thời điểm phối khí ................................................................................................ 14
2.5 Phân tích ưu và nhược điểm của hệ thống Dual VTT-i với hệ thống VANOS của BMW và hệ
thống VVT-iE của Lexus ...................................................................................................................... 18
2.5.1 Bảng so sánh ............................................................................................................................. 18
2.5.2 Sơ lượt về hệ thống VANOS .................................................................................................... 19
2.5.3 Sơ lượt về hệ thống VVT-iE của Lexus .................................................................................. 20
2.6 Lịch sử cải tiến................................................................................................................................. 21
2.6.1 Quá trình cải tiến VVT thành Dual VVT-i ............................................................................ 21
2.6.2 Quá trình cải tiến Dual VVT-I thành các hệ thống khác...................................................... 26
2.7 Phân tích các ưu và nhược điểm của hệ thống Dual VVT-i ........................................................ 29
2.7.1 Ưu điểm ..................................................................................................................................... 29
2.7.2 Nhược điểm............................................................................................................................... 32
2.8 Ảnh hưởng của hệ thống Dual VVT-i đến các công nghệ, kỹ thuật khác sử dụng trên động cơ
................................................................................................................................................................ 33
2.9 Tình hình sử dụng hiện tại và tương lai ở Việt Nam và thế giới ................................................. 33
KẾT LUẬN ................................................................................................................................................ 35
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................................ 36
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2.2.1.1 Hệ thống Dual VVT-i trên động cơ ................................................................. 5
Hình 2.2.1.2 Sơ đồ tổng thể hệ thống Dual VVT-i ............................................................... 6
Hình 2.2.2.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống Dual VVT-i ............................................................ 7
Hình 2.3.1.1.1 Cấu tạo bộ điều khiển VVT-i bên nạp ......................................................... 8
Hình 2.3.1.2.1 Cấu tạo bộ điều khiển VVT-i bên xả ............................................................ 8
Hình 2.3.2.1 Cấu tạo Van điều khiển dầu phối khí trục cam............................................... 9
Hình 2.4.1.1 Sơ đồ điều khiển van biến thiên liên tục ......................................................... 10
Hình 2.4.1.1.1 Tín hiệu điều khiển từ ECU đến van điều khiển dầu phối khí trục cam
(PWM) ............................................................................................................................... 10
Hình 2.4.1.1.2 Làm sớm thời điểm phối khí bên nạp .......................................................... 11
Hình 2.4.1.1.3 Làm sớm thời điểm phối khí bên nạp .......................................................... 11
Hình 2.4.1.2.1 Tín hiệu điều khiển từ ECU đến van điều khiển dầu phối khí trục cam
(PWM) ............................................................................................................................... 12
Hình 2.4.1.2.2 Làm muộn thời điểm phối khí bên nạp ....................................................... 12
Hình 2.4.1.2.3 Làm muộn thời điểm phối khí bên xả ........................................................ 12
Hình 2.4.1.3.1 Tín hiệu điều khiển từ ECU đến van điều khiển dầu phối khí trục cam
(PWM) ............................................................................................................................... 13
Hình 2.4.2.1 Đồ thị hoạt động của động cơ có Dual VVT-i ................................................ 13
Hình 2.4.2.2 Chế độ chạy khơng tải ................................................................................... 14
Hình 2.4.2.3 Chế độ tải nhẹ ................................................................................................ 14
Hình 2.4.2.4 Chế độ tải trung bình .................................................................................... 14
Hình 2.4.2.5 Tốc độ thấp tới trung bình với tải nặng .......................................................... 15
Hình 2.4.2.6 Tốc độ cao với tải cao ................................................................................... 15
Hình 2.4.2.7 Khi nhiệt độ động cơ thấp .............................................................................. 15
Hình 2.4.2.8 Khi khởi động hoặc khi động cơ ngừng ........................................................ 15
Hình 2.4.2.9 Giản đồ thời điểm phối khí trên động cơ 2AR-FE ........................................ 16
Hình 2.4.2.10 Giản đồ thời điểm phối khí trên động cơ 2ZR-FE ...................................... 16
1
Hình 2.5.2.1 Hệ thống VANOS trên động cơ xe BWM .................................................... 18
Hình 2.5.2.2 Sơ đồ điều khiển van biến thiên liên tục. ...................................................... 18
Hình 2.5.3.1: Hệ thống VVT-iE trên động cơ 1UR-FSE .................................................. 20
Hình 2.6.1.1 Sơ đồ điều khiển van biến thiên liên tục ........................................................ 21
Hình 2.6.1.2 Cơ cấu VVT cổ điển. .................................................................................... 21
Hình 2.6.1.3 Sơ đồ điều khiển van biến thiên liên tục ........................................................ 22
Hình 2.6.1.4 Hệ thống VVT-i trên động cơ JZ.................................................................. 22
Hình 2.6.1.5 Hệ thống VVT-i trên động cơ MZ ................................................................ 23
Hình 2.6.1.6 Bộ điều khiển VVT-i trên động cơ ................................................................ 23
Hình 2.6.1.7 Hệ thống VVT-i trên động cơ AZ .................................................................. 24
Hình 2.6.2.1 Hệ thống Valvematic trên động cơ ................................................................ 25
Hình 2.6.2.2 Sơ đồ điều khiển van biến thiên liên tục ........................................................ 25
Hình 2.6.2.2 Hệ thống VVT-iE trên động cơ UR .............................................................. 26
Hình 2.6.2.3 Động cơ điện VVT-iE ................................................................................... 27
Hình 2.6.2.4 Các chế độ hoạt động của động cơ ................................................................. 27
Hình 2.6.2.5 Sơ đồ điều khiển van biến thiên liên tục ....................................................... 28
Hình 2.7.1.1.1 Ảnh hưởng của góc trùng điệp đến khí xả động cơ .................................... 29
Hình 2.7.1.1.2 Ảnh hưởng của góc trùng điệp đến tiêu hao nhiên liệu ............................. 29
Hình 2.7.1.2.1 Đường cong hiệu suất của động cơ 2AR-FE ............................................ 30
Hình 2.7.1.2.2 Đường cong hiệu suất của động cơ 2ZR-FE ............................................. 30
Hình.2.7.2.1 Nắp xi lanh được phủ bằng cặn dầu động cơ ................................................ 31
Hình 2.8.1 Khơng có van tuần hồn khí thải (EGR) Van có hệ thống Dual VVT-i ............. 32
2
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN
1.1 Lý do chọn đề tài
Trước thực trạng nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày cạn kiệt, vấn đề ơ nhiễm
mơi trường từ khí xả động cơ đốt trong đang ngày một trầm trọng, các thiết bị tiện nghi
trên xe ô tô ngày càng nhiều nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng xe ơ
tơ, địi hỏi động cơ làm việc cần phải có cơng suất ngày càng cao. Chính vì vậy, việc tính
tốn thiết kế ơ tơ ngày nay đang phải đối mặt với hai vấn đề quan trọng đó là nâng cao
công suất động cơ nhưng phải đảm bảo việc bảo vệ hệ sinh thái, bảo vệ môi trường đồng
thời tiết kiệm nguồn nhiên liệu sử dụng trên động cơ. Để giải quyết vấn đề này, trong những
năm gần đây ngành cơng nghiệp ơ tơ đã có những tiến bộ vượt bậc trong cơng nghệ tính
tốn, thiết kế hệ thống điều khiển động cơ đốt trong.
Một trong những sự tiến bộ này là thay đổi phương thức nạp nhiên liệu truyền thống
với góc phối khí là cố định bằng phương pháp nạp nhiên liệu mới mà trong đó góc phối
khí thay đổi khi tốc độ và tải trọng của động cơ thay đổi, đó là hệ thống van biến thiên
(Variable Valve Timing-VVT) hay cịn gọi là hệ thống phân phối khí điện tử. Hệ thống
này tối ưu hóa góc phối khí của trục cam dựa trên chế độ làm việc của động cơ phối hợp
với các cảm biến điều khiển chủ động như: cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến lưu lượng
khí nạp, cảm biến vị trí trục khuỷu, cảm biến nhiệt độ nước làm mát,…Trong q trình
hoạt động tín hiệu từ các cảm biến gửi về ECU, ECU sẽ quyết định đóng hoặc hoặc mở
van điều khiển dầu phối khí trục cam để tác động lên bộ điều khiển VVT làm cho trục cam
xoay tương đối đi một góc so với vị trí chuẩn của nó nhằm làm thay đổi thời điểm phối khí.
Với thiết kế này đã làm tăng công suất của động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm ơ
nhiễm mơi trường do khí thải động cơ sinh ra.
Ưu điểm nổi bật của hệ thống này là công suất động cơ tăng và lượng nhiên liệu tiêu
thụ giảm. Một số nghiên cứu chỉ ra rằng động cơ có bố trí hệ thống VVT cơng suất tăng từ
7-10%, lượng tiêu hao nhiên liệu giảm từ 4-5% và đặc biệt là giảm thiểu được ô nhiễm môi
trường do khí thải động cơ sinh ra so với động cơ khơng có hệ thống VVT. Với những ưu
điểm đó, hệ thống VVT ngày nay được bố trí hầu hết trên các xe ô tô hiện đại. Đối với
hãng Toyota hệ thống có tên gọi là VVT-i, biến thể của nó là Dual VVT-i hoặc VVTL-i và
VVT-iE còn đối với hãng Honda nó có tên gọi là VTEC, hãng Mitsubishi nó có tên gọi là
MIVEC,…
Xuất phát từ những điều kiện thực tế nêu trên, đề tài “Nghiên cứu hệ thống Dual
VTT-i của Toyota” được thực hiện với mục đích chính là hiểu rõ hơn về cấu tạo nguyên lý
hoạt động cũng như ứng dụng của hệ thống này.
3
1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu
Nhằm hiểu rõ hơn hệ thống phân phối khí thông minh Dual VVT-i của hãng Toyota.
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 trong tương lai.
1.2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu
Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động, ưu nhược điểm, ảnh hưởng của hệ thống
điều khiển cơ cấu phân phối khí Dual VVT-i trên động cơ của Toyota.
1.3 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu
1.3.1 Đối tượng nghiên cứu
Hiện nay trên các xe ô tô của hãng Toyota hầu như đều trang bị hệ thống VVT-i,
Dual VVT-i hoặc VVT-iE. Tuy nhiên, phạm vi nghiên cứu chủ yếu tập trung nghiên cứu
lý thuyết về hệ thống Dual VVT-i của hãng Toyota.
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
ơ tơ, internet từ đó xây dựng bài tiểu luận.
4
CHƯƠNG II. NỘI DUNG
2.1 Lý do sử dụng công nghệ
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. Đối với
động cơ cổ điển thì pha phân phối khí thực tế được chọn tối ưu ở một số vịng quay nào đó
phụ thuộc vào điều kiên sử dụng động cơ và độ nâng của xupap là không thay đổi được.
Nếu đặt điều kiện hoạt động tối ưu của các xupap ở tốc độ thấp thì q trình đốt nhiên liệu
lại khơng 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 khơng
tốt ở tốc độ thấp. Từ những hạn chế đó nên hệ thống phân phối khí hiện đại ra đời với ý
tưởng là tìm cách tác động để thời điểm mở xupap, độ mở, khoảng thời gian mở và độ nâng
xupap biến thiên theo từng tốc độ động cơ khác nhau sao cho chúng mở đúng lúc, khoảng
mở và thời gian mở đủ để nạp đầy hịa khí vào buồng đốt và xả sạch khí cháy ra ngồi.
Dựa vào ngun tắc đó nhưng mỗi hãng có những cơ cấu thay đổi pha phân phối khí và độ
nâng xupap mang tên cơng nghệ khác nhau và cải tiến qua từng giai đoạn.
Toyota phát minh ra hệ thống VVT-i có thể thay đổi được pha phân phối khí liên
tục tùy thuộc vào tốc độ động cơ khác nhau do ECU động cơ điều khiển, hệ thống sẽ làm
trễ, sớm hay giữ nguyên thời điểm phối khí so với thời điểm chuẩn tùy thuộc vào các thông
số và chế độ hoạt động của động cơ.
Dual VVT-i là biến thể của hệ thống VVT-i. Nếu VVT-i chỉ điều phối van nạp đóng
mở đúng thời điểm thì hệ thống Dula VVT-i sẽ điều phối đóng mở cả van nạp và xả đúng
thời điểm. Với sự cải tiến này hệ thống sẽ giúp cho sự cải thiện về tiết kiệm nhiên liệu,
tăng công suất động cơ và đặc biệt là giảm ơ nhiễm khí thải ra mơi trường đáng kể so với
VVT-i. Đó cũng chính là lý do sử dụng công nghệ Dual VTT-i trên động cơ của Toyota.
2.2 Mô tả hệ thống Dual VVT-i
2.2.1 Sơ đồ tổng thể hệ thống Dual VVT-i trên động cơ
5
Hình 2.2.1.1 Hệ thống Dual VVT-i trên động cơ
Hệ thống Dual VVT-i được thiết kế để điều khiển trục cam nạp và xả trong phạm
vi tương ứng là 50 độ và 40 độ (của góc trục khuỷu) để cung cấp thời điểm phối khí tối ưu
phù hợp với tình trạng động cơ. Điều này giúp cải thiện mô men xoắn ở tất cả các dải tốc
độ cũng như tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu và giảm lượng khí thải.
Tổng thể một hệ thống Dual VVT-i gồm:
- Bộ điều khiển VVT-i nằm ở đầu trục cam tạo ra một sự khác biệt một lượng thời
gian giữa trục cam và trục khuỷu bởi một thiết bị truyền động thủy lực.
- Van điều khiển dầu phối khí trục cam (OCV) điều khiển áp suất dầu tới bộ điều
khiển VVT-i theo lệnh ECU.
- Bộ xử lý trung tâm ECU 32 bit tính thời điểm mở van tối ưu dựa trên điều kiện
vận hành động cơ.
- Bơm và đường dẫn dầu, các xupap, cảm biến vị trí trục khuỷu, cảm biến lưu lượng
khí nạp, cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến nhiệt độ nước làm mát, cảm biến vị trí trục cam,
tín hiệu tốc độ xe
6
Hình 2.2.1.2 Sơ đồ tổng thể hệ thống Dual VVT-i
Intake Camshaft Timing Oil Control Valve (Van điều khiển dầu phối khí trục cam nạp); Exhaust
Camshaft Timing Oil Control Valve (Van điều khiển dầu phối khí trục cam xả); Intake Camshaft
Position Sensor (Cảm biến vị trí trục cam nạp); Exhaust Camshaft Position Sensor (Cảm biến vị
trí trục cam xả); Crankshaft Position Sensor (Cảm biến vị trí trục khuỷu); Engine Coolant
Temperature Sensor (Cảm biến nhiệt độ nước làm mát động cơ); Mass Air Flow; Meter (Cảm
biến lưu lượng khí nạp); Throttle Position Sensor (Cảm biến vị trí bướm ga)
2.2.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống Dual 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 trục cam 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, Dual VVT-i đã điều chỉnh vô cấp hoạt động của các góc phối phí xupap.
Ngồi ra, cịn một cảm biến đo nồng độ oxy đặt ở ống góp xả cho biết tỷ lệ phần
trăm 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 và xả tối ưu nhằm tiết kiệm xăng và bảo vệ môi trường.
7
Hình 2.2.2.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống Dual VVT-i
Vehicle Speed Signal (Tín hiệu tốc độ xe); Target Valve Timing (Thời điểm phối khí mục tiêu);
Correction (Hiệu chỉnh); Actual Valve Timing (Thời điểm phối khí thực tế); Duty Cycle Control
(Điều khiển hệ số hiệu dụng); Camshaft Timing Oil Control Val (Van điều khiển dầu phối khí)
2.3 Cấu tạo
Bộ chấp hành của hệ thống Dual VVT-i bao gồm bộ điều khiển VVT-i dùng để xoay
trục cam nạp và xả, áp suất dầu dùng làm lực xoay cho bộ điều khiển VVT-i và van điều
khiển dầu phối khí trục cam để điều khiển đường đi của dầu.
2.3.1 Bộ điều khiển VVT-i.
Mỗi bộ điều khiển VVT-i bao gồm một vỏ được dẫn động bởi xích cam và các cánh
gạt được cố định trên trục cam nạp và xả.
Cả hai bên nạp và xả đều có cánh gạt bốn cánh.
Áp suất dầu đi từ phía làm sớm hay làm muộn trục cam nạp và xả sẽ xoay các cánh
gạt của bộ điều khiển VVT-i để thay đổi liên tục thời điểm phối khí của trục cam nạp và
xả.
Khi động cơ dừng, chốt khóa sẽ khóa trục cam nạp ở đầu muộn nhất và trục cam xả
ở đầu sớm nhất, để đảm bảo rằng động cơ khởi động đúng cách.
Một lị xo trợ lực phía trước được cung cấp trên bộ điều khiển VVT-i phía ống xả.
Lị xo này tác dụng mơ men xoắn theo hướng trước khi động cơ dừng, do đó đảm bảo sự
ăn khớp của chốt khóa.
Khi áp suất dầu khơng 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.
8
2.3.1.1 Bộ điều khiển VVT-i bên nạp
Hình 2.3.1.1.1 Cấu tạo bộ điều khiển VVT-i bên nạp
Housing (Thân bộ điều khiển); Vane (Fixed on Intake Camshaft) (Cánh gạt cố định với trục cam
nạp); Lock Pin (Chốt hãm); Sprocket (Đĩa xích); Intake Camshaft (Trục cam nạp); At a Stop
(Trạng thái hãm); In Operation (Khi hoạt động); Oil Pressure (Áp suất dầu)
2.3.1.2 Bộ điều khiển VVT-i bên xả
Hình 2.3.1.2.1 Cấu tạo bộ điều khiển VVT-i bên xả
Advance Assist Spring (Lò xo trợ lực); Vane (Fixed on Exhaust Camshaft) (Cánh gạt cố định với
trục cam xả); Exhaust Camshaf (Trục cam xả)
9
2.3.2 Van điều khiển dầu phối khí trục cam.
Hình 2.3.2.1 Cấu tạo Van điều khiển dầu phối khí trục cam
To VVT-i Controller (Advanced Side)* (Phía sớm); Spring (Lị xo); Drain (Xả); Spool Valve
(Van trượt); To VVT-i Controller (Retarded Side)* (Phía muộn); *: Trên van điều khiển dầu
phía xả, làm sớm và làm muộn được đảo ngược
2.4 Nguyên lý hoạt động
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.
Van điều khiển dầu phối khí 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.
10
2.4.1 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.
Hình 2.4.1.1 Sơ đồ điều khiển van biến thiên liên tục
Retard (Làm muộn thời điểm phối khí); Advance (Làm sớm thời điểm phối khí)
2.4.1.1 Làm sớm thời điểm phối khí
Khi van điều khiển dầu phối khí trục cam được đặt ở vị trí như trên hình vẽ, bộ ECU
động cơ điều khiển áp suất dầu tác động lên khoang cánh gạt phía làm sớm thời điểm phối
khí để quay trục cam về chiều làm sớm thời điểm phối khí.
Hình 2.4.1.1.1 Tín hiệu điều khiển từ ECU đến van điều khiển dầu phối khí trục cam (PWM)
11
Bên nạp
Hình 2.4.1.1.2 Làm sớm thời điểm phối khí bên nạp
Rotation Direction (Hướng quay)
Bên xả
Hình 2.4.1.1.3 Làm sớm thời điểm phối khí bên nạp
2.4.1.2 Làm muộn thời điểm phối khí
Khi ECU đặt van điều khiển thời điểm phối khí 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 theo chiều quay làm muộn thời điểm phối khí.
12
Hình 2.4.1.2.1 Tín hiệu điều khiển từ ECU đến van điều khiển dầu phối khí trục cam (PWM)
Bên nạp
Hình 2.4.1.2.2 Làm muộn thời điểm phối khí bên nạp
Bên xả
Hình 2.4.1.2.3 Làm muộn thời điểm phối khí bên xả
13
2.4.1.3 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 để
giữ thời điểm phối khí hiện tại. Điều này điều chỉnh thời gian van ở vị trí mục tiêu mong
muốn và ngăn khơng cho dầu động cơ cạn kiệt khi khơng cần thiết.
Hình 2.4.1.3.1 Tín hiệu điều khiển từ ECU đến van điều khiển dầu phối khí trục cam (PWM)
2.4.2. Điều khiển thời điểm phối khí
Trên các động cơ hiện đại có trang bị hệ thống phân phối khí thơng minh Dual VVTi 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.
Hình 2.4.2.1 Đồ thị hoạt động của động cơ có Dual VVT-i
Ở chế độ chạy khơng tải (Range 1) 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 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 nhỏ lại để khí cháy được thải sạch ra ngồi, giảm khí xả chạy
14
ngược lại phía nạp. Điều này làm ổn định chế độ khơng tải và cải thiện tính kinh tế nhiên
liệu.
Hình 2.4.2.2 Chế độ chạy không tải
Khi ở chế độ tải nhẹ (Range 2) 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 giảm đi. Điều này làm ổn định tốc độ động cơ.
Hình 2.4.2.3 Chế độ tải nhẹ
Chế độ tải trung bình (Range 3) pha phân phối khí của động 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.
Hình 2.4.2.4 Chế độ tải trung bình
Trong phạm vi tốc độ thấp tới trung bình với tải nặng (Range 4) 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 suất thể tích nạp. Điều này làm
cải thiện mômen xoắn ở tốc độ thấp tới trung bình.
15
Hình 2.4.2.5 Tốc độ thấp tới trung bình với tải nặng
Trong phạm vi tốc độ cao với tải cao (Range 5) thì cần làm chậm thời điểm đóng
xupap nạp để lợi dụng qn tính của dịng khí nạp tốc độ cao làm cải thiện hiệu suất thể
tích nạp. Điều này cải thiện cơng suất đầu ra.
Hình 2.4.2.6 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 và tiết kiệm nhiên liệu tốt hơn.
Hình 2.4.2.7 Khi 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.
Hình 2.4.2.8 Khi khởi động hoặc khi động cơ ngừng
16
Hình 2.4.2.9 Giản đồ thời điểm phối khí trên động cơ 2AR-FE
Hình 2.4.2.10 Giản đồ thời điểm phối khí trên động cơ 2ZR-FE
17
2.5 Phân tích ưu và nhược điểm của hệ thống Dual VTT-i với hệ thống VANOS của
BMW và hệ thống VVT-iE của Lexus
2.5.1 Bảng so sánh
Dual VVT-i của Toyota VANOS của BMW
VVT-iE của Lexus
Tên hệ
thống
Ưu điểm
Nhược
điểm
Động cơ hoạt động rất
êm, nhẹ nhàng, ổn định ở
tốc độ thấp nhưng khi
điều chỉnh lên tốc độ cao
vẫn phát huy được công
suất và hiệu năng tối đa.
Trong q trình hoạt
động, động cơ khơng chỉ
nâng cao được hiệu suất
mà lượng nhiên liệu tiêu
thụ và khí độc hại sinh ra
trong q trình cháy hồn
tồn cũng giảm đáng kể
Sử dụng hệ thống điều
khiển ECU đã cải thiện
tối đa tốc độ xử lý, tính
năng hoạt động của động
cơ được nâng cao. Điều
này giúp khả năng gia tốc
của động cơ đạt mức cực
nhạy và mạnh mẽ hơn so
với những dịng xe khơng
được trang bị hệ thống
này.
Kết cấu phức tạp nên
việc nâng cấp hệ thống
Dual VVT-i cho các
dịng xe khơng trang bị
hệ thống này là không
thể.
Nhiều cơ cấu chi tiết hơn
nên thường xảy ra hư
hỏng, chi phí bảo dưỡng
sửa chữa cao hơn.
Phụ thuộc vào sự tuần
hồn của dầu.
Tăng mơmen xoắn ở tốc
độ thấp và tốc độ trung
bình mà khơng ảnh
hưởng nhiều tới phạm
vi cơng suất động cơ
Tăng tính tiết kiệm
nhiên liệu do tối ưu hóa
góc phối khí
Giảm ơ nhiễm khí thải
do tối ưu hóa góc trùng
điệp của xupap
Chế độ cầm chừng ổn
định
Ưu điểm nổi bật của
hệ thống này là làm
việc chính xác ở tốc
độ thấp và nhiệt độ
động cơ thấp. Sự kết
hợp điều khiển trục
cam bằng điện - thủy
lực cho phép kiểm
soát tốt hơn mức tiêu
hao nhiên liệu, mức
độ phát thải trên
động cơ và đặc biệt
là tăng được công
suất của động cơ.
Không ảnh hưởng
bởi nhiệt độ dầu
Mô men xoắn và công Giá thành cao
suất ở đầu ra thấp
Hệ thống phức tạp dẫn
đến việc khó bảo dưỡng
và sửa chữa
18
2.5.2 Sơ lượt về hệ thống VANOS
Hình 2.5.2.1 Hệ thống VANOS trên động cơ xe BWM
Hệ thống VANOS trang bị trên động cơ BMW là công nghệ làm thay đổi thời điểm
mở xupap hoạt động dựa trên nguyên lý làm thay đổi vị trí tương đối của trục cam với trục
khuỷu động cơ. Hệ thống này có thể xoay tương đối trục cam 40° so với góc quay trục
khuỷu và điều chỉnh liên tục để tối ưu hóa vị trí trục cam cho tất cả các điều kiện hoạt động
của động cơ. Không giống như các hệ thống thay đổi thời điểm mở xupap của các hãng
khác VANOS có cấu tạo khác hẳn là sự kết hợp giữa việc điều khiển bằng cơ khí và thủy
lực và được quản lý bởi DME (hệ thống điều khiển động cơ của xe).
Hình 2.5.2.2 Sơ đồ điều khiển van biến thiên liên tục
Single VANOS: Được giới thiệu vào năm 1992 trên động cơ BMW M50. Single
VANOS điều chỉnh vị trí của trục cam nạp so với trục khuỷu dựa vào tốc độ động cơ và vị
trí bàn đạp ga. Ở tốc độ thấp xupap nạp được mở trễ lại để giảm góc trùng điệp từ đó giảm
19
hiệu ứng EGR (hiện tượng khí thải bị hút ngược trở lại buồng đốt gây ra sự cháy xấu trong
buồng đốt) để chế độ cầm chừng ổn định. Khi tốc độ trung bình xupap nạp được mở sớm
hơn để tăng góc trùng điệp tạo hiệu ứng EGR tăng tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải ơ
nhiễm. Khi tốc độ động cơ cao xupap nạp lại được mở trễ lại để công suất động cơ phát ra
tối đa.
Double VANOS: Được sử dụng đầu tiên trên động cơ S50B32 vào năm 1996, sau
đó là động cơ 6 xylanh M52TU điều chỉnh vị trí của cả trục cam nạp và trục cam xả so với
trục khuỷu. Trục cam nạp có thể thay đổi 40 độ và trục cam xả có thể thay đổi 25 độ. Sự
kết hợp hài hòa của hai trục cam làm tối ưu hóa hệ thống. Double VANOS kéo dài khoảng
thời gian mở của xupap lâu hơn 12 độ (góc quay trục khuỷu) và tăng độ nâng xupap thêm
0,9mm nhưng hệ thống yêu cầu áp suất thủy lực lớn để việc điều chỉnh nhanh và chính xác.
Hệ thống điều chỉnh kiểu Double VANOS giúp cho việc điều khiển hệ thống phân
phối khí ở chế độ tối ưu nhất. Hệ thống này điều chỉnh cả trục cam nạp và trục cam xả,
điều chỉnh được thời điểm đóng, mở các xupap nạp và xả theo từng chế độ yêu cầu của
động cơ. Nhờ việc điều chỉnh hợp lý của xupap nạp và xupap xả do đó sẽ tiết kiệm được
lượng nhiên liệu khi động cơ hoạt động ở các chế độ khác nhau và lượng nhiên liệu thất
thốt ra ngồi theo khí thải trong q trình xả của động cơ kết quả là làm giảm được chi
phí nhiên liệu khi vận hành động cơ. Làm tăng công suất định mức của động cơ do đó hiệu
quả kinh tế khi sử dụng động cơ tăng. Việc sử dụng các bộ phận thay đổi thời điểm và quy
luật nâng của xupap, làm cho cơ cấu phối khí hiện đại ln hoạt động ở điều kiện tối ưu.
Điều đó đã làm cho động cơ sử dụng cơ cấu phối khí hiện đại có suất tiêu hao nhiên liệu
thấp, việc gia tốc thay đổi từ tốc độ thấp sang tốc độ cao xảy ra nhanh chóng, ít gây ơ nhiễm
và đạt cơng suất cao. Xe có sử dụng cơ cấu phân phối khí hiện đại sẽ chạy êm dịu trong
thành phố cũng như trên quốc lộ, dễ dàng chuyển từ tốc độ thấp sang tốc độ cao.
2.5.3 Sơ lượt về hệ thống VVT-iE của Lexus
Hệ thống VVT-iE (Variable Valve Timing - intelligent by Electric motor) hệ thống
cam biến thiên thông minh điều khiển bằng động cơ điện là một phiên bản của hệ thống
Dual VVT-i. Đặc điểm của hệ thống này là sử dụng một động cơ điện để điều khiển thời
gian cam nạp trong khi đó cam xả vẫn được điều khiển bằng thủy lực như hệ thống Dual
VVT-i. Hệ thống này lần đầu được giới thiệu trên động cơ 1UR-FE lắp đặt trên xe Lexus
LS 460 vào năm 2007.
20
Hình 2.5.3.1: Hệ thống VVT-iE trên động cơ 1UR-FSE
Động cơ điện dẫn động trục cam nạp quay cùng tốc độ với trục cam. Để duy trì thời
gian trục cam, động cơ điện sẽ hoạt động cùng tốc độ với trục cam. Để làm sớm thời điểm
mở của van, ECU sẽ điều khiển động cơ điện quay nhanh hơn một chút so với trục cam.
Để làm muộn thời điểm mở van, động cơ điện sẽ quay chậm hơn tốc độ trục cam.
2.6 Lịch sử cải tiến
2.6.1 Quá trình cải tiến VVT thành Dual VVT-i
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 van điều khiển
dầu phối khí trục cam và bộ điều khiển VVT.
VVT thế hệ I (1991-2001)
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 ECU sẽ làm cho van điều
khiển dầu phối khí trục cam 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 bộ điều khiển VVT. Trong đó có một
piston nhỏ, áp suất dầu này sẽ đẩy piston 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
piston. Như vậy, khi tín hiệu từ ECU làm bộ điều khiển VVT hoạt động, van điều khiển
dầu phối khí trục cam mở, đó là nguyên nhân làm bộ điều khiển VVT hoạt động sớm hơn
30 độ góc quay trục khuỷu (sớm hơn 15 độ so với bản thân nó).
21
