CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ TRÊN XE Ô TÔ

Trong đề tài này chúng tôi tập trung nghiên cứu cơ sở lý thuyết của hệ thống phân phối khí và tìm hiểu về việc tối ưu hóa thời gian, thời điểm, độ nâng và góc đóng mở của xu-pap để làm t

I

Ý KIẾN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Hà Nội, ngày…tháng…năm 2020 Chữ kí của giáo viên hướng dẫn

II

Ý KIẾN HỘI ĐỒNG PHẢN BIỆN

Hà Nội, ngày…tháng…năm 2020 Chữ kí của hội đồng phản biện

Đặc biệt sự hướng dẫn và giúp đỡ của thầy Th.S Ngô Quang Tạo, thầy

đã giúp đỡ tận tình trong khi hoàn thành đồ án của mình Bên cạnh đó em cảm

ơn quý thầy trong khoa Công Nghệ Ô tô đã cho em những lời khuyên, động viên và tạo mọi điều kiện để em hoàn thành tốt chương trình học và đồ án tốt nghiệp này

Mặc dù rất cố gắng nhưng do thời gian và trình độ có hạn, nên trong quá trình làm đồ án không thể tránh những thiếu sót 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

IV

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN III MỤC LỤC IV

DANH MỤC KÍ HIỆU, VIẾT TẮT 1

DANH MỤC HÌNH ẢNH 2

DANH MỤC BẢNG BIỂU 3

MỞ ĐẦU 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ TRÊN Ô TÔ 5

1.1 Nhiệm vụ 5

1.2 Yêu cầu 5

1.3 Phân loại 5

CHƯƠNG 2: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ TRÊN XE Ô TÔ 15

2.1 Sơ đồ nguyên lý của cơ cấu phân phối khí trên xe ô tô 15

2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống phân phối khí thông thường 21

2.3 Nguyên lý điều chỉnh trên các hệ thống phân phối khí thông minh 27

CHƯƠNG 3: ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ VANOS VÀ VALVETRONIC TRÊN XE BMW X5 30i 2007 34

3.1 Thông số cơ bản về kết cấu phân phối khí trên động cơ 34

3.2 VALVETRONIC 35

3.3 VANOS 45

CHƯƠNG 4: NHỮNG HƯ HỎNG, NGUYÊN NHÂN, BIỆN PHÁP SỬA CHỮA CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ TRÊN XE Ô TÔ 53

4.1 Một số lỗi cơ khí 53

4.2 Hư hỏng phần điện 65

KẾT LUẬN 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

1 DANH MỤC KÍ HIỆU, VIẾT TẮT

• DME: Digital mechanic electronic – bộ điều khiển động cơ

• DOHC: Double OverHead Camshaft – hệ thống phân phối khí có hai trục cam

• EAV: Electro-magnetic Valve Actuation Systems – hệ thống van điều khiển bằng điện từ

• ECU: Electronic control units – bộ điều khiển động cơ

• ETCS-i: Electronic Throttle Control System Intelligent - hệ thống điều khiển bướm ga điện tử thông minh

• OHC: Overhead camshaft – trục cam nằm trên nắp máy

• OHV: Overhead valve – van (xu-pap) nằm trên nắp máy

• PWM: Pulse Width Modulation – chế độ điều chỉnh độ rộng xung

• SOHC: Single OverHead Camshaft – hệ thống phân phối khí có một trục cam

• VANOS: Variable nockenwellensteurung – hệ thống trục cam biến thiên

• VTEC: Variable valve Timing and lift Electronic Control – hệ thống phân phối khí kiểm soát độ nâng và thời gian đóng mở xu-pap

• VVT-i: Variable valve timing intelligent – hệ thống phân phối khí thông minh

2 DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Hệ thống phân phối khí xu-pap đặt 6

Hình 1.2: Hệ thống phân phối khí xu-pap treo loại OHV 7

Hình 1.3: Hệ thống phân phối khí xu-pap treo loại OHC 8

Hình 1.4: Hệ thống SOHC 8

Hình 1.5: Hệ thống DOHC 10

Hình 1.6: Cấu tạo của hệ thống điều khiển xu-pap bằng điện từ EVA 11

Hình 1.7: Cấu tạo của VTEC 12

Hình 1.8: Cấu tạo của VVT-i 13

Hình 1.9: VarioCam trên xe Audi 14

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý cơ cấu phân phối khí OHV trên xe ô tô 15

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý hệ thống phân phối khí OHC 15

Hình 2.3: Hệ thống cam thông minh 16

Hình 2.4: Trục cam trong đông cơ ô tô tô 16

Hình 2.5: Dẫn động trục cam bằng bánh răng 17

Hình 2.6: Dẫn động trục cam bằng xích trên động cơ ô tô 18

Hình 2.7: Bánh răng dẫn động trục cam bằng đai răng 19

Hình 2.8: Xupap trên động cơ ô tô 19

Hình 2.9: Con đội thủy lực trên ô tô 21

Hình 2.10: Cò mổ trên động cơ 21

Hình 2.11: Ảnh hưởng của việc thay đổi xu-pap xả 24

Hình 2.12: Ảnh hưởng của góc mở sớm xu-pap nạp 26

Hình 2.13: Nguyên lý VVT-i 29

Hình 2.14: Nguyên lý VTEC 31

Hình 2.15: Hệ thống cam thông minh trên BMW 32

Hình 3.1: Cấu tạo hệ thống Valvetronic 35

Hình 3.2: Trục cam Valvetronic 36

Hình 3.3: Mô-tơ Valvetronic 37

Hình 3.4: Cảm biến trục cam Valvetronic 37

Hình 3.5: Điểm min/max stop 38

3

Hình 3.6: Nguyên lý hoạt động Valvetronic 38

Hình 3.7: Biểu đồ kiểm soát tải trọng động cơ 41

Hình 3.8: Sơ đồ đường ống nạp trên động cơ N52 42

Hình 3.9: Đường đi khí nạp theo chế độ tải 43

Hình 3.10: Vị trí của cơ cấp chấp hành bướm gió 44

Hình 3.11: Đường dầu van điện từ 46

Hình 3.12: Van điện từ VANOS 46

Hình 3.13: Cấu tạo van điện từ 47

Hình 3.14: Cảm biến vị trí trục cam 47

Hình 3.15: Cụm VANOS 48

Hình 3.16: Khóa VANOS 48

Hình 3.17: Cấu tạo VANOS 49

Hình 3.18: Sơ đồ hệ thống thủy lực VANOS 50

Hình 3.19: Biểu đồ VANOS 51

Hình 4.1: Dụng cụ kiểm tra sự đàn hồi lò xo 54

Hình 4.2: Kiểm tra độ thẳng đứng của lò xo 55

Hình 4.3: Kiểm tra độ thẳng đứng của lò xo 55

Hình 4.4: Bề mặt làm việc xu-pap bị cháy và rỗ 56

Hình 4.5: Kiểm tra độ kín xu-pap 57

Hình 4.6: Cách ra xu-pap bằng tay 58

Hình 4.7: Cách rà xu-pap bằng máy 59

Hình 4.8: Trục cam bị xước do thiếu dâu bôi trơn 61

Hình 4.9: Xupap bị cong 62

Hình 4.10: Kiểm tra đuôi xu-pap 63

Hình 4.11: Van điện từ bị hỏng 66

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Thông số cơ bản về động cơ 34

Bảng 4.1: Mã lỗi đối với BMW 68 Bảng 4.2: Các mã lỗi thông thường cảm biến vị trí trục cam của TOYOTA 69

thiện với môi trường vì vậy, tôi quyết định chọn đề tài” Tìm hiểu cơ cấu phân phối khí VANOS và VALVETRONIC trên xe BMW X5 30i 2007” làm đồ án

tốt nghiệp Trong đề tài này chúng tôi tập trung nghiên cứu cơ sở lý thuyết của hệ thống phân phối khí và tìm hiểu về việc tối ưu hóa thời gian, thời điểm, độ nâng

và góc đóng mở của xu-pap để làm tăng công suất động cơ, tiết kiệm nhiên liệu, thân thiện với môi trường Phần sau chúng tôi phân tích kết cấu và nguyên lý hoạt động của các hệ thống phân phối khí thông minh trên các xe BMW X5 30i 2007

 Xu-pap cần được mở sớm và đóng muộn tùy theo kết cấu của từng loại động

cơ và điều kiện vận hành của động cơ

 Làm việc êm dịu, độ tin cậy và tuổi thọ cao, thuận tiện trong việc chế tạo, bảo dưỡng, sửa chữa

1.3 Phân loại

Hệ thống phân phối khí dùng cam và xu-pap được dùng phổ biến trên động

cơ đốt trong do kết cấu đơn giản và dễ dàng điều chỉnh Loại này lại được phân

ra nhiều loại

1.3.1 Hệ thống phân phối khí xu-pap đặt

1.3.1.1 Cấu tạo hệ thống phân phối khí xu-pap đặt

Cơ cấu phân phối khí dùng xu-pap đặt toàn bộ cơ cấu phối khí được đặt ở thân máy gồm có:

 Trục cam, con đội, xu-pap, lò xo, cửa nạp và cửa xả

 Trên con đội có lắp bu-lông để điều chỉnh khe hở pap, lò xo lồng vào pap và được hãm vào đuôi xu-pap bằng móng hãm

xu- Trục cam do trục khuỷu dẫn động qua cặp bánh răng hay đĩa xích

6

Hình 1.1: Hệ thống phân phối khí xu-pap đặt

1.3.1.2 Nguyên lý làm việc xu-pap đặt

Khi động cơ làm việc, trục khuỷu quay với tỷ số truyền là 1/2, cơ cấu phân phối khí sẽ làm việc như sau:

Khi đỉnh cam chưa tác dụng vào đuôi xu-pap, lò xo đẩy xu-pap đi xuống, cửa nạp hoặc cửa xả được đóng lại

Khi đỉnh cam quay lên, con đội tác dụng vào xu-pap nâng xu-pap đi lên, cửa nạp hoặc cửa xả từ từ được mở ra Khi con đội tiếp xúc ở vị trí cao nhất của cam thì cửa nạp hoặc cửa xả được mở lớn nhất

Trục cam tiếp tục quay, đỉnh cam quay xuống, lò xo căng ra đẩy xu-pap đi xuống đóng dần cửa nạp hoặc cửa xả Khi con đội tiếp xúc tại vị trí thấp nhất của cam thì cửa nạp hoặc cửa xả được đóng kín hoàn toàn

Nếu động cơ tiếp tục làm việc trục cam tiếp tục quay thì quá trình làm việc của cơ cấu phối khí xu-pap đặt lại được lặp lại như trên

1.3.2 Hệ thống phân phối khí xu-pap treo loại OHV

Kiểu xu-pap treo: dùng phổ biến trên các động cơ hiện đại

Xupap

Lò xo xupap

Con đội Cam Trục cam

7 Loại OHV (OverHead Valve): trục cam đạt dưới thân máy, xu-pap bố trí trên nắp máy và được điều khiển qua con đội, đũa đẩy và cò mổ

Hình 1.2: Hệ thống phân phối khí xu-pap treo loại OHV

Nguyên lý làm việc: Trục cam 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 đẩy đũa đẩy đi lên làm cò mổ xoay quanh trục của

nó Đầu kia của cò mổ ấn đuôi xu-pap đi xuống, lúc này lò xo bị nén lại Xu-pap

đi xuống làm thông của nạp với xy-lanh động cơ nếu trong kỳ hút hoặc cửa thải với xy-lanh động cơ nếu trong kỳ xả Khi cam quay hết hành trình tác dụng thì lò

xo sẽ dãn ra đóng xu-pap lại kết thúc quá trình hút hoặc thải Quá trình này diễn

ra liên tục khi động cơ hoạt động, mỗi một chu kỳ xu-pap hút và xả chỉ mở một lần

Ưu điểm: có các ưu điểm của loại xu-pap treo như có thể tăng tỉ 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 thông thoáng 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

Trục cam

Trục khuỷu Thanh truyền pit-tông

Khí nạp Con đội

8

1.3.3 Hệ thống phân phối khí xu-pap treo loại OHC

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 xu-pap hoặc thông qua cò mổ

Hình 1.3: Hệ thống phân phối khí xu-pap treo loại OHC

Ưu điểm: giống loại xu-pap 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

1.3.4 Hệ thống phân phối khí SOHC

SOHC (Single OverHead Camshaft)

nghĩa là động cơ chỉ có duy nhất một trục

cam bố trí ở nắp máy, phía trên các van Trục

cam này dẫn động đóng mở trực tiếp cả

xu-pap nạp lẫn xả thông qua con đội hoặc cò mổ

tùy theo các hình dạng cam khác nhau Động cơ SOHC thông thường chỉ được bố

Hình 1.4: Hệ thống SOHC

9 trí 2 van cho mỗi xi lanh, vẫn có thể dùng 3 van hoặc 4 van nhưng kết cấu truyền động sẽ rất phức tạp nên hiếm khi được áp dụng

SOHC với cấu tạo đơn giản kéo theo việc giảm giá bán, hoặc thay vào đó

sẽ đầu tư hơn vào thiết kế, tiện ích Vì đây là loại động cơ thông dụng nên khi bị hỏng hóc dễ tìm được nơi sửa chữa, chi phí sửa chữa và thay thế cũng thấp hơn nhiều

Dù trên lý thuyết, SOHC có ưu thế hơn ở vòng tua thấp, còn DOHC vượt trội ở vòng tua cao Nhưng để so sánh loại động cơ nào hiệu quả hơn còn phải dựa vào vật liệu và độ chính xác khi chế tạo, do đó chạy thử trên điều kiện thực tế phù hợp luôn là cách đánh giá chuẩn xác nhất Ngoài ra, với tính chất thị trường như Việt Nam, một chiếc xe trang bị động cơ SOHC sẽ có nhiều lợi thế hơn bởi giá thành và chi phí sửa chữa thay thế không quá tốn kém

1.3.5 Hệ thống phân phối khí DOHC

DOHC (Double OverHead Camshaft) là động cơ sử dụng 2 trục cam bố trí trên nắp máy, mỗi trục dẫn động một bên xu-pap hút hoặc xả riêng biệt Mục đích chính của việc sử dụng động cơ DOHC nhằm tăng số lượng van trên mỗi xy-lanh

do loại động cơ này có thể bố trí 4 van trên mỗi xy-lanh tương đối đơn giản, nhờ

đó dễ dàng đạt tốc độ vòng quay lớn, đồng thời cho phép đặt xu-pap ở các vị trí tối ưu giúp tăng khả năng vận hành

DOHC có thể lắp 4 van hoặc nhiều hơn nên khi cùng một mức dung tích sẽ cho công suất lớn hơn nhiều so với động cơ SOHC chỉ cho phép sử dụng 2 van trên mỗi xi lanh Việc có 2 trục cam riêng biệt cho 2 van hút và xả trong động cơ DOHC cũng giúp xe hoạt động êm ái và ít nóng máy hơn những xe sử dụng động

cơ SOHC Ở tốc độ thấp, động cơ SOHC sẽ tạo ra mô-men cao hơn loại DOHC

có cùng dung tích, nhưng ở tốc độ cao, mô-men và công suất tối đa của DOHC lại cao hơn, giúp máy khỏe hơn

Ngoài ra, việc bố trí được bu-gi ở chính giữa đỉnh buồng đốt giúp cho động

cơ DOHC có hiệu quả đốt cháy nhiên liệu tốt hơn Ngược lại, động cơ SOHC do trục cam phải đặt chính giữa buồng đốt để truyền động cho cả van nạp/xả nên bu-

10

gi phải đặt sang bên cạnh khiến hiệu quả sử dụng nhiên liệu kém hơn hẳn, do vậy

xe sử dụng động cơ SOHC thường hao xăng hơn động cơ DOHC

Động cơ DOHC còn sở hữu ưu thế về khả năng ứng dụng công nghệ van biến thiên, điều chỉnh trục cam giúp tối ưu hóa chế độ vận hành Trong khi đó, việc áp dụng hệ thống này trên SOHC lại gặp nhiều khó khăn

Thế nhưng, những chiếc xe

trang bị động cơ DOHC thường có

giá thành cao hơn vì cấu tạo động

cơ phức tạp với nhiều chi tiết và

yêu cầu công nghệ cao hơn Khi

gặp hư hỏng phải sửa đòi hỏi sự tỉ

mỉ và người thợ có tay nghề cao,

chi phí sửa chữa thay thế đắt đỏ

Kết cấu cồng kềnh làm trọng

lượng xe tăng lên, điều này ảnh

hưởng một phần đến khả năng vận

hành, hoặc buộc nhà sản xuất phải tối giản một số chi tiết để cân bằng

1.3.6 Hệ thống phân phối khí không trục cam (Camless)

Hệ thống điều khiển xu-pap bằng điện từ EVA (Electro-magnetic Valve Actuation Systems) ECU nhận tín hiệu từ các cảm biến điều khiển cuộn solenoid hay nam châm điện đóng mở trực tiếp xu-pap, hệ thống này không sử dụng trục cam và có thể thay đổi được thời điểm, thời gian và độ nâng xu-pap một cách tối

ưu tùy thuộc vào các chế độ hoạt động của động cơ

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)

Trục cam là một cơ cấu phức tạp, làm tăng trọng lượng động cơ và tiêu hao nhiều công suất do mất mát ma sát Do kết cấu vật lý nên một cam chỉ điều khiển chuyển động của một xu-pap với các thông số thời điểm và độ nâng hạn chế do

đó sẽ không tối ưu cho tất cả các chế độ hoạt động của động cơ Những tiến bộ

Hình 1.5: Hệ thống DOHC

11 trong công nghệ điều khiển thay đổi thời gian và độ nâng xu-pap 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 không 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 hòa khí mới vào trong xy-lanh bằng việc thay đổi thời gian và hành trình xu-pap

Hình 1.6: Cấu tạo của hệ thống điều khiển xu-pap bằng điện từ EVA

Cấu tạo cơ cấu chấp hành gồm nam châm điện (electromagnet) được đặt phía trên đỉnh xu-pap, miếng sắt từ đóng vai rò phần ứng được kết nối với đuôi xu-pap, các lò xo, chén chặn và xu-pap

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 xu-pap ở vị trí đóng

Khi từ tính do nam châm điện phía trên bị ngắt, miếng sắt phần ứng kết nối với đuôi xu-pap sẽ bị kéo xuống bởi lò xo Bộ chấp hành nam châm điện phía dưới sẽ duy trì xu-pap ở vị trí mở

Hệ thống sử dụng các nam châm điện để đóng mở xu-pap Tín hiệu nhập vào từ các cảm biến thông qua mạch giao tiếp nhập/xuất như vị trí pit-tông, 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 toán thời gian và độ nâng xu-pap tối ưu để

12 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 không còn các bộ phận truyền động, nắp máy được đơn giản hóa

Nhược điểm: tuy có rất nhiều ưu điểm nhưng động cơ với xu-pap 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 xu-pap đóng mở không đúng thời điểm sẽ phá vỡ đỉnh pit-tông, hư hỏng động

Hình 1.7: Cấu tạo của VTEC

Động cơ bố trí 4 pap cho mỗi xylanh, bao gồm 2 pap nạp và 2 pap xả Hai vấu cam nạp có biên độ mở khác nhau, một cam có biên độ mở lớn

xu-và một cam có biên độ mở nhỏ Các tông lắp đặt bên trong cò mổ sẽ đẩy tông đồng bộ di chuyển cùng hướng để ép pit-tông chặn và lò xo lại tạo sự liên

pit-13 kết hai cò mổ lại với nhau Khi mất áp lực dầu, dưới sự hoàn lực của lò xo thông qua pit-tông chặn sẽ được pit-tông đồng bộ trở về làm tách 2 cò mổ mở riêng rẽ

Ở tốc độ thấp, hai cò mổ được tách rời, vì thế xu-pap hút thứ nhất điều khiển sự phân phối chính trong khi đó xu-pap hút thứ hai chỉ hé mở để ngăn chặn nhiên liệu tích luỹ ở cửa nạp Ở tốc độ cao, hai cò mổ được liên kết thành một khối nhờ vào pit-tông đồng bộ Vì vậy tốc độ này cả hai xu-pap đều chịu sự tác động của vấu cam có biên độ mở lớn nhất

1.3.7.2 VVT-i TOYOTA

Hình 1.8: Cấu tạo của VVT-i

Ngoài ra thiết kế của hệ thống VVT-i được đồng bộ với bướm ga điện tử ETCS-i (bướm ga điện tử ETCS-i hoạt động nhờ một mô tơ cực nhạy điều khiển bằng xung điện), đầu phun nhiên liệu 12 lỗ (lúc này không khí không còn đóng vai trò hỗ trợ trong hệ thống điện – thủy lực nữa) và bộ chia điện bằng điện tử cùng các bu-gi đầu iridium

Đi cùng với khái niệm VVT-i Toyota là khái niệm dual VVT-i, vậy Dual VVT-i là gì và có liên quan gì đến VVT-i Dual VVT-i là hệ thống điều phối van biến thiên thông minh kép có chức năng điều khiển thời điểm đóng mở đồng thời của cả van nạp và van xả Điểm này khác so với nguyên lý hoạt động VVT-i khi mới chỉ can thiệp đến việc đóng mở van nạp Vì vậy hệ thống dual VVT-i nhiều điểm ưu việt hơn so với VVT-i, hệ thống giúp động cơ tăng công suất tối đa và

có khí thải ra môi trường sạch hơn do tận dụng tối đa nhiên liệu hơn

14

1.3.7.3 VarioCam - Audi

Hình 1.9: VarioCam trên xe Audi

Bằng việc điều khiển các xu-pap nạp xả một cách độc lập và liên tục, hệ thống này cung cấp sự kết hợp của công suất tối đa, tiết kiệm nhiên liệu và đảm bảo tiêu chuẩn khí thải bằng cách điều khiển chính xác xu-pap theo từng vòng tua động cơ và mức tải của động cơ so với hệ thống khác

Với một động cơ xăng thông thường, khối lượng không khí nạp được điều khiển bằng bướm ga, điều này làm tăng lực cản lượng khí nạp khi pit-tông đi xuống VarioCam giúp cho khí nạp được lưu thông dễ dàng bằng cách kiểm soát

độ mở của xapap cũng như việc đóng/mở xu-pap đồng thời và liên tục Do đó, giúp cải thiện mức tiêu thụ nhiên liệu bằng cách giảm thất thoát lượng khí nạp

Cam thông minh có một ưu điểm mạnh mẽ trong việc tăng công suất động

cơ tiết kiệm nhiên liệu phù hợp với xu hướng thân thiện môi trường Do đó các hãng xe cạnh tranh nhau đưa ra các giải pháp về hệ thống phân phối khí thông minh

15

CHƯƠNG 2: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ TRÊN XE Ô TÔ

2.1 Sơ đồ nguyên lý của cơ cấu phân phối khí trên xe ô tô

2.1.1 Sơ đồ nguyên lý của cơ cấu phân phối khí trên xe ô tô

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý cơ cấu phân phối khí OHV trên xe ô tô

2.1.2 Sơ đồ nguyên lý cơ cấu phân phối khí OHC trên xe ô tô

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý hệ thống phân phối khí OHC

Trục khuỷu

Dẫn động trục cam

tác động

Con đội

Cò mổ Xupap

Lò xo

Cửa thải (nạp) đóng (mở)

Lò xo

Cam tác động Nhờ cặp

Bánh răng

16

2.1.3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống phân phối khí OHCrên xe e ô tô

Hình 2.3: Hệ thống cam thông minh

Hệ thống cam thông minh điều khiển thời điểm đóng mở xu-pap bằng ECM, ECM thu thập thông tin từ các cảm biến như tốc độ xe cảm biến nhiệt độ nước, cảm biến vị trí trục khuỷu để tính toán rồi đưa ra tín hiệu đến van điện từ điều chỉnh áp suất dầu bên trong cơ cấu điều khiển thay đổi góc đóng mở xu-pap theo chế độ làm việc động cơ Nhờ đó đảm bảo công suất mô-men và độ phát thải khí

xả được cải thiện đáng kể

2.1.4 Cấu tạo cơ cấu phân phối khí trên xe ô tô

2.1.4.1 Trục cam

Số lượng cam đúng bằng số

xu-pap, chúng được bố trí sao cho

đảm bảo thứ tự nổ của các xy-lanh

của động cơ Số cổ trục được tính

toán, thiết kế tuỳ theo số lượng

xy-lanh và cách bố trí các xi xy-lanh, sao

cho đảm bảo độ cứng vững cho trục

Biên dạng cam quyết định

thời điểm đóng, mở các xu-pap, vì vậy nó phải được tính toán sao cho đảm bảo được các pha phối khí của động cơ theo như thiết kế, còn chiều cao của đỉnh cam

Hình 2.4: Trục cam trong đông cơ ô tô

tô

Cảm biến VVT-i Cảm biến

vị trí bướm ga

Cảm biến lưu lượng khí nạp Cảm biến vị trí trục khuỷu

Cảm biến VVT-i

Cảm biến nước làm

mát Van điện từ

Van điện từ

ECM

17 thì quyết định độ mở của xu-pap Hiện nay, được sử dụng phổ biến hơn cả là các cam có biên dạng đối xứng, nó đảm bảo đóng, mở xu-pap một cách êm dịu và dứt khoát

Thông thường các cam được chế tạo liền với trục Để giảm ma sát và mài mòn khi làm việc, bề mặt của cam được gia công kỹ lưỡng: tôi thấm các-bon, thấm ni-tơ và mài bóng

Các cổ của trục cam là vị trí lắp lên các gối đỡ trục, các gối này thường là các ổ trượt

2.1.4.2 Dẫn động trục cam

Trên các động cơ đốt trong hiện nay phổ biến 3 phương pháp dẫn động trục cam: bằng bánh răng, bằng dây đai răng và bằng xích Việc lựa chọn phương pháp dẫn động phụ thuộc vào vị trí bố trí trục cam, loại động cơ và truyền thống của hãng chế tạo Chẳng hạn, các động cơ diesel công suất lớn thường sử dụng dẫn động bằng bánh răng với các trục cam bố trí dưới (trong thân máy) Các động cơ

cỡ nhỏ, đặt trên các xe ôtô con thường sử dụng dẫn động xích hoặc đai răng

Bánh răng chủ động

được lắp ở đầu trục khuỷu của

động cơ và truyền động cho

bánh răng (hoặc các bánh

răng) trên trục cam Tỷ số

truyền của các cặp bánh răng

này bằng 2 đối với các động

cơ 4 kỳ Trong một số trường

hợp các bánh răng dẫn động

bơm dầu bôi trơn, bơm nhiên

liệu, bộ chia điện, cũng ăn

khớp với bánh răng dẫn động cam, tạo thành một cụm và thường được bố trí trong một hộp nằm ở phía đầu động cơ Để đảm bảo độ êm dịu và giảm độ ồn khi làm

Hình 2.5: Dẫn động trục cam bằng bánh

răng

18 việc, các bánh răng dẫn động trục cam thường là các bánh răng nghiêng Khi lắp các bánh răng này cần lưu đặt đúng theo dấu đã đánh trên các bánh răng

Ưu điểm của dẫn động bằng bánh răng là có độ bền và tuổi thọ cao mà kết cấu lại đơn giản, tuy nhiên nó có nhược điểm lớn là ồn Hiện nay, dẫn động trục cam bằng bánh răng chỉ còn được sử dụng chủ yếu trên các động cơ lớn, còn trên các động cơ ôtô con, nó được thay thế bằng dẫn động đai răng và dẫn động

Đối với các động cơ có trục cam bố trí trên, ký hiệu OHC (overhead camshaft) và các động cơ có 2 trục cam bố trí trên, ký hiệu DOHC (dual overhead camshaft) thì trục cam nằm trên nắp máy, do vậy dẫn động bằng đai và xích thuận lợi hơn nhiều so với dẫn động bánh răng Hơn nữa, các dạng dẫn động này làm việc có độ ồn ít hơn nhiều so với dẫn động bánh răng

Dẫn động xích cũng cần phải được bôi trơn giống như dẫn động bánh răng

Để đảm bảo cho xích luôn có độ căng nhất định trong quá trình làm việc thì cần phải có cơ cấu căng xích tự động hoặc có thể điều chỉnh được Ngoài ra, để tránh rung động quá mạnh của xích thì phải có bộ phận giảm chấn

Hình 2.6: Dẫn động trục cam bằng xích trên động cơ ô tô

19 Dẫn động đai răng được sử dụng ngày càng nhiều trong thời gian gần đây

và chiếm số nhiều trên các động cơ ôtô con Điều này được lý giải bởi các ưu điểm nổi bật của dẫn động đai là: ít ồn hơn cả dẫn động xích, không cần bôi trơn

và không đòi hỏi phải

điều chỉnh độ căng

trong quá trình sử

dụng Hơn nữa, dây đai

nhẹ hơn nhiều so với

các bánh răng hay xích

Tuy nhiên, để chế tạo

được các dây đai đảm

bảo độ bền và tuổi thọ

cao thì cần phải có

công nghệ cao

2.1.5 Xu-pap

Các xu-pap được cấu tạo gồm 2

phần: đầu và thân Đầu xu-pap có hình

đĩa, mặt làm kín (tỳ lên đế xu-pap) được

chế tạo vát hình côn (thường có góc

nghiêng là 45°) Đế xu-pap nằm trên

nắp máy và cũng có mặt vát tương tự

Đế có thể được gia công trực tiếp trên

nắp máy (nếu nắp máy đúc bằng gang)

hoặc chế tạo thành chi tiết rời rồi ép vào nắp máy Các mặt tỳ của xu-pap và đế phải được mài rà với nhau kỹ lưỡng trước khi lắp để đảm bảo độ kín Thân xu-pap di chuyển trong ống dẫn hướng, ống này thường được chế tạo độc lập sau đó

20 pap thường là nơi bố trí chi tiết hãm Kết cấu của khoá hãm tương đối đa dạng, nhưng phổ biến hơn cả là loại khoá hãm 2 nửa: mặt ngoài côn, mặt trong trụ và

có gờ ăn vào rãnh tiện trên đuôi xu-pap Khoá này chặn đĩa đỡ phía trên của lò

xo, nhờ nó mà lực đẩy của lò xo được truyền sang thân xu-pap, đảm bảo cho mặt

tỳ của pap luôn tỳ chặt lên đế, nghĩa là đảm bảo độ kín cho buồng đốt khi pap ở trạng thái đóng

xu-Trong quá trình làm việc của động cơ, xu-pap xả phải chịu nhiệt độ rất cao

do luồng khí cháy đi qua nó ở kỳ xả Vì vậy, xu-pap xả thường được chế tạo bằng thép hợp kim chịu nhiệt, còn xu-pap hút được chế tạo bằng thép crôm Đôi khi phần đầu và thân của xu-pap được chế tạo rời từ các loại vật liệu khác nhau và ghép lại với nhau bằng mối hàn Trong một số trường hợp, thân và đầu xu-pap được làm rỗng, trong đó chứa các loại muối nóng chảy hay natri kim loại (nóng chảy ở nhiệt độ 97° C) Khi gặp nhiệt độ cao, các chất này nóng chảy, làm tăng khả năng điều hoà nhiệt độ trên toàn thân xu-pap (dẫn nhiệt nhanh từ vùng nóng sang vùng nhiệt độ thấp hơn) và làm giảm nhiệt độ cho khu vực chịu nhiệt cao của xu-pap

Lò xo xu-pap có nhiệm vụ ép chặt mặt tỳ của xu-pap lên đế của nó để đảm bảo giữ cho xu-pap luôn đóng kín Để định vị cho xu-pap nằm chính xác trên đế của nó, trong nhiều trường hợp, người ta sử dụng 2 lò xo lồng vào nhau và có hướng xoắn ngược nhau

2.1.6 Các chi tiết khác

Đối với các động cơ có xu-pap trên (OHC) và trục cam đặt dưới thì các cam điều khiển các xu-pap đóng mở theo đúng pha phối khí nhờ một hệ thống dẫn động cơ khí bao gồm con đội, đũa đẩy và đòn mở

21 Con đội thường có dạng cốc hình trụ, mặt dưới của nó tỳ lên vấu cam, còn trong cốc chứa đầu dưới của đũa đẩy Phía dưới của con đội có thể lắp con lăn hoặc có dạng hình nấm để độ bền chống mài mòn trong quá trình làm việc

Trên một số động cơ của ôtô

du lịch hiện đại, người ta sử dụng

con đội thuỷ lực với mục đích đảm

bảo cho đầu dài đòn mở luôn tỳ sát

vào đuôi của xu-pap (không có khe

hở nhiệt), nhờ nó mà trong quá

trình sử dụng không cần phải điều

chỉnh xu-pap Hơn nữa con đội

thuỷ lực giúp cho cơ cấu làm

việc êm dịu và ít ồn hơn

Đòn mở có dạng đòn quay quanh một trục với 2 nửa đòn có độ dài không bằng nhau Các đòn được chế tạo từ thép bằng công nghệ dập, chúng được lắp lên trục của giàn xu-pap thông qua các bạc bằng

đồng Đầu dài của đòn mở có mặt cầu để tỳ

lên đuôi của xu-pap

Đối với các động cơ có trục cam đặt ở

trên nắp máy (OHC và DOHC) thì cơ cấu

phối khí không có đũa đẩy, các cam có thể

tác động trực tiếp lên các xu-pap hoặc thông

qua các đòn mở đặc biệt

2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống phân phối khí thông thường

2.2.1 Nguyên lí hoạt động

Cơ cấu phân phối khí thông thường sẽ làm việc như sau:

Trục cam đặt trên nắp máy và được dẫn động bằng trục khuỷu thông qua dây đai hoặc xích Khi động cơ làm việc, trục khuỷu quay với tỷ số truyền là ½

Hình 2.9: Con đội thủy lực trên ô tô

Hình 2.10: Cò mổ trên động cơ

ô tô

22 Nguyên lý làm việc được chia làm hai quá trình cơ bản sau: quá trình vấu cam đẩy mở xu-pap và quá trình lò xo giãn đóng kín xu-pap

Quá trình vấu cam đẩy mở xu-pap: 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, thông 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 xu-pap quay Khi các vấu cam tiếp xúc với con đội làm con đội bắt đầu chuyển động đi xuống tác động vào đĩa lò xo ép lò xo xu-pap nén lại đồng thời xu-pap chuyển động đi xuống làm mở các cửa nạp nếu trong giai đoạn nạp khí vào xy-lanh động cơ và cửa thải nếu trong quá trình thải thực hiện quá trình nạp môi chất mới và thải khí cháy ra ngoài

Quá trình lò xo giãn đóng kín xu-pap: khi trục cam tiếp tục quay, vấu cam

di chuyển theo cho đến khi đỉnh của vấu cam vượt qua đường tâm con đội Lúc này con đội bắt đầu di chuyển đi lên, lò xo xu-pap từ từ giãn ra nhờ vào đĩa chặn

lò xo 4 cùng với các móng hãm đẩy xu-pap tịnh tiến về vị trí ban đầu thực hiện quá trình đóng kín xu-pap Chu trình đóng mở được lặp đi lặp lại như vậy tuân theo chu kì làm việc của pha phân phối khí

Trước khi đi sâu nghiên cứu về sự thay đổi pha phân phối khí trên các hệ thống phân phối khí thông minh tới hiệu quả động cơ ta đi tìm hiểu ảnh hưởng của pha phân phối khí tới quá trình thải và nạp của động cơ bốn kỳ cổ điển

Theo lý thuyết đơn giản với 720 độ góc quay trục khuỷu thì mỗi kỳ tương ứng với 180 độ và xu-pap xả bắt đầu mở khi pit-tông ở điểm chết dưới đầu kỳ xả

và đóng lại khi tông tới điểm chết trên và lúc này xu-pap hút mở và khi tông 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 xu-pap sao cho động cơ hoạt động với hiệu quả cao nhất đồng thời khí thải phát ra ít gây

pit-ô nhiễm mpit-ôi trường

23

2.2.2 Ảnh hưởng của việc đóng (mở) muộn (sớm) xu-pap nap (xả)

2.2.2.1 Ảnh hưởng của việc đóng (mở) muộn (sớm) xu-pap nạp

Xu-pap thải bắt đầu mở sẽ làm cho áp suất cao trong xy-lanh trong quá trình đốt cháy được thoát ra ngoài qua hệ thống xả

Xu-pap thải mở sớm trước khi pit-tông tới điểm chết sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình thải bằng cách cho sản vật cháy tự thoát ra ngoài nhờ chênh áp giữa xy-lanh và đường thải Với mục đích giảm tải trọng động cho xu-pap cần phải cho xu-pap mở và đóng đường thông một cách từ từ Chính vì vậy việc mở sớm xu-pap thải nhằm tạo ra giá trị “thời gian-tiết diện” đủ để áp suất trong xy-lanh giảm tới mức yêu cầu khi pit-tông đi ngược từ điểm chết dưới lên điểm chết trên Khi đã mở sớm xu-pap thải vào thời điểm hợp lý sẽ làm giảm công tiêu hao cho việc đẩy khí thải ra ngoài

Nhưng nếu mở xu-pap 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 xu-pap 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 xu-pap thải càng gần điểm chết dưới hơn càng tốt vì ở chế độ này áp lực khí cháy trong xy-lanh 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 xu-pap thải sớm tức trước khi pit-tông tới điểm chết dưới vì 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

24

2.2.2.2 Ảnh hưởng động cơ ở chế độ tải nhỏ hay một phần tải động cơ

Xu-pap thải bao giờ cũng đóng trễ sau khi pit-tông 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 xu-pap 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 xu-pap thải có ảnh hưởng rất quan trọng đến việc khí thải còn lại trong xy-lanh trong kỳ hút tiếp theo Thời điểm đóng xu-pap thải là một thông số quan trọng trong việc điều khiển lưu hồi khí thải và góc trùng điệp của hai xu-pap

Hình 2.11: Ảnh hưởng của việc thay đổi xu-pap xả

Khi ở chế độ đầy tải mong muốn cho lượng khí thải còn lại trong xy-lanh

là ít nhất để tối đa lượng hòa khí mới nạp vào trong xy-lanh trong kỳ hút kế tiếp Điều này đòi hỏi thời điểm đóng xu-pap 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 xy-lanh khác thì thời điểm đóng xu-pap 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 xu-pap xả ở một tốc độ nào đó sẽ gây ảnh hưởng tới các chế độ hoạt động khác của động cơ

25 Khi động cơ hoạt động ở chế độ một phần tải thì thời điểm đóng muộn xu-pap 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 hút tiếp theo Di chuyển thời điểm đóng trễ xu-pap 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 xy-lanh 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 xy-lanh 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 mô-men động cơ phát ra đạt tối đa

2.2.2.3 Giới hạn bao nhiêu khí thải còn lại trong xy-lanh

Việc mở xu-pap nạp cho phép hòa khí vào xy-lanh 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 xu-pap nạp cần chọn sao cho khi áp suất trong xy-lanh (do giãn nở của khí sót) hạ thấp hơn áp suất môi chất trên đường nạp thì tiết diện lưu thông của xu-pap nạp đã đủ lớn để môi chất mới đi vào Do đó thường mở sớm xu-pap nạp trước điểm chết trên Thời điểm mở xu-pap nạp là thông số thứ hai xác định góc trùng điệp của xu-pap nạp và xu-pap xả (cả hai xu-pap đều mở) đó đó thời điểm đóng xu-pap xả và mở xu-pap nạp thay đổi sẽ làm thay đổi thời điểm phối khí, thay đổi lượng luân hồi khí thải

26

Hình 2.12: Ảnh hưởng của góc mở sớm xu-pap nạp

2.2.2.4 Ảnh hưởng của góc mở sớm xu-pap nạp

Hiệu quả thể tích hòa khí nạp vào phụ thuộc vào thời điểm đóng xu-pap nạp theo từng tốc độ và tải động cơ Thời điểm đóng xu-pap nạp quyết định bao nhiêu hòa khí sẽ được nạp vào xy-lanh do đó ảnh hưởng tới tính kinh tế và hiệu quả động cơ

Để đạt được mômen xoắn tối đa xu-pap nạp đóng muộn sau khi pit-tông đã vượt qua điểm chết dưới nhằm nạp thêm môi chất mới vì ở điểm chết dưới tiết diện lưu thông qua xu-pap còn lớn, áp suất trong xy-lanh pa còn thấp hơn áp suất trên đường ống nạp pk quán tính của môi chất mới từ đường nạp vào xy-lanh 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 xy-lanh 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 xu-pap nạp sẽ làm giảm hòa khí nạp vào xy-lanh giúp tiết kiệm nhiên liệu ở chế độ tải nhỏ Việc đóng sớm xu-pap nạp ở chế độ tải nhỏ còn giúp hạn chế hòa khí quay trở lại ống góp hút và hạn chế tổn thất bơm

Thời gian mở sớm và đóng muộn của các xu-pap 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

27 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

Hệ thống phân phối khí được thiết kế để thực hiện điều đó Hệ thống phân phối khí có nhiệm vụ nạp đầy hỗn hợp hòa khí (xăng + không khí) hay không khí sạch vào xy-lanh trong kỳ nạp và thải sạch khí cháy ra khỏi xy-lanh trong kỳ xả

Các xu-pap có thể được dẫn động trục tiếp bởi các vấu cam hoặc gián tiếp thông qua cò mổ Hai phương án dẫn động xu-pap này đều được phát triển và

sử dụng phổ biến trên các dòng xe TOYOTA, HONDA, BMW, MAZDA, KIA, MERCEDES, AUDI… hiện nay

Đối với phương án dẫn động trực tiếp, trên đuôi các xu-pap sẽ được bố trí các con đội (hay còn gọi là chén chặn), các vấu cam khi quay sẽ tác động trực tiếp vào con đội, qua đó đẩy xu-pap đi chuyển Các hình ảnh phía trên có thể mô tả rõ hơn về quá trình này

Đối với phương án dẫn động gián tiếp thông qua cò mổ, trên đuôi các pap sẽ không được bố trí các con đội, mà thay vào đó là các cò mổ Khi trục cam quay, các vấu cam sẽ tác động vào cò mổ, dựa vào nguyên lý đòn bẩy, các

xu-cò mổ sẽ tác động trực tiếp vào đuôi của các xu-pap với một lực lớn gấp nhiều lần so với phương án còn lại.[6]

2.3 Nguyên lý điều chỉnh trên các hệ thống phân phối khí thông minh

2.3.1 Nguyên lý chung

Với tiêu chuẩn khí thải ngày càng nghiêm nghặt như hiện nay thì việc tăng công suất cũng như hiệu suất động cơ ngày càng được cải thiện Một trong những phương pháp phổ biến mà các hãng ô tô lớn trên thế giới áp dụng là cải tiến và phát minh hệ thống phân phối khí thông minh để phù hợp với các chế độ động cơ của mình đồng thời tăng hiệu suất và giảm khí thải ô nhiễm ra môi trường Nếu Toyota có VVT-i, Honda có i-VTEC, Porche có VarioCam plus thì BMW có VANOS và valvetronic

28

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 xu-pap rất khác nhau

Trong các động cơ đốt trong 4 kỳ thông thường, các van nạp và van xả được điều khiển thông qua các con đội trên trục cam Hình dáng của các con đội sẽ xác định thời điểm (timing), độ nâng (lift) và khoảng thời gian mở (duration) của từng

van Thuật ngữ timing dùng để chỉ khi nào van được mở/đóng so với chu trình của pit-tông Từ lift dùng để chỉ van được mở ở mức độ như thế nào

và duration thể hiện van ở trạng thái mở trong thời gian bao lâu

Do tính chất của hòa khí và sau khi cháy mà 3 thông số thời điểm, độ nâng

và thời gian mở của các van ở vòng tua thấp và vòng tua cao rất khác nhau Thông thường, khi thiết kế động cơ, các kỹ sư phải lưu ý tới điều kiện làm việc của từng

xe và xác định chúng cần công suất và mô-men xoắn cực đại ở vòng tua nào Nếu đặt điều kiện hoạt động tối ưu của các van ở vòng tua thấp thì quá trình đốt nhiên liệu lại không hiệu quả khi động cơ ở trạng thái vòng tua cao, khiến công suất chung của động cơ bị giới hạn Ngược lại, nếu đặt điều kiện tối ưu ở số vòng tua cao thì động cơ lại hoạt động không tốt ở vòng tua thấp

Từ những hạn chế đó, một ý tưởng được các kĩ 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 Trên thực tế, điều chỉnh một cách hoàn toàn cả

3 thông số của van là điều rất khó

Để làm điều này, có thời kỳ người ta sử dụng một cuộn cảm để điều chỉnh van thay vì sử dụng cam Tuy nhiên, kỹ thuật trên không được sản xuất do quá phức tạp và rất đắt Cách tiếp cận ngược lại là điều chỉnh van sao cho động cơ hoạt động tốt ở vòng tua cao Điều này có nghĩa xe sẽ hoạt động rất yếu ở khi tốc

độ vòng tua thấp (trạng thái mà hầu hết các xe luôn có) và hoạt động tốt ở vòng tua cao

độ thấp và trung bình và vấu cam tốc độ cao trên cùng một trục cam sẽ điều khiển được hành trình xu-pap theo tốc độ và tải trọng động cơ

2.3.2.1 VTEC – HONDA

Hãng HONDA ban đầu phát triển công nghệ VTEC thay đổi thời gian và

độ nâng xu-pap cũng bằng việc sử dụng hai loại vấu cam có biên dạng khác nhau trên một trục cam, khi chuyển đổi giữa các vấu cam thì độ nâng xu-pap thay đổi

rõ rệt nhưng pha phân phối khí thì thay đổi không đáng kể và không biến thiên liên tục do đó mang lai hiệu quả chưa cao Phải đến khi hệ thống i-VTEC được phát minh có thêm cơ cấu thay đổi thời gian phân phối khí VTC biến thiên liên tục theo các chế độ hoạt động của động cơ thì sự tiết kiệm nhiên liệu và giảm độc

30 hại khí thải được nâng cao Vì vậy công nghệ VVTL-i và i-VTEC đang mang những đặc trưng khá giống nhau

Hệ thống điều khiển van biến thiên VTEC của Honda là một trong những công nghệ tiên tiến nhằm tối ưu hóa hiệu quả của động cơ VTEC sẽ điều khiển các thông số của van nạp, xả hoặc cả hai sao cho hòa khí đi vào buồng đốt hay khí xả đi ra một cách thích hợp nhất

Công nghệ mới i-VTEC

i-VTEC (chữ i lấy từ từ Intelligent) là công nghệ điều van biến thiên liên tục trên van nạp ở các động cơ của Honda Công nghệ này xuất hiện lần đầu tiên năm 2001 trên mẫu K-series sử dụng 4 xi-lanh thẳng hàng Khoảng mở và khoảng thời gian mở vẫn được điều chỉnh theo hai chế độ vòng tua thấp và vòng tua cao như trên VTEC Tuy nhiên, ở i-VTEC, trục cam điều khiển van nạp có thể thay đổi một góc trong khoảng từ 25 đến 50 độ (tùy thuộc vào cấu trúc động cơ) khi đang vận hành Các trạng thái của trục cam được máy tính điều khiển dựa trên các

dữ liệu về tải trọng xe và vòng tua máy Tác dụng của i-VTEC là nâng mô-men xoắn của động cơ, đặc biệt khi ở tốc độ vòng tua trung bình Trên mẫu Civic bán tại Việt Nam, Honda trang bị i-VTEC ở cả động cơ I4 trục cam kép DOHC và I4 trục cam đơn SOHC

Năm 2004, Honda giới thiệu công nghệ i-VTEC trên động cơ V6 Tuy nhiên, không giống như ở động cơ I4, i-VTEC áp dụng trên động cơ V6 có khả năng ngắt một nửa số xi-lanh khi xe có tải trọng nhẹ và vận tốc thấp nhằm giảm mức tiêu hao nhiên liệu Công nghệ i-VTEC V6 được Honda tích hợp trên các mẫu Honda Odyssey và hiện tại có thể thấy công nghệ này trên Honda Accord Hybrid và Honda Pilot 2006

Một phiên bản i-VTEC khác được Honda giới thiệu trên Civic R-series

2006 lắp động cơ 4 xi-lanh thẳng hàng Khi ở vận tốc thấp, tải trọng nhẹ, i-VTEC điều khiển van nạp sao cho có khoảng mở nhỏ và mở hết bướm ga nhằm giảm mức tiêu hao nhiên liệu bằng cách giảm mất mát năng lượng ở bơm

- Điều khiển thông minh hoạt động của xu-pap: Chức năng này cho phép

vô hiệu hóa 1 xu-pap hút hoặc một xu-pap xả khi động cơ làm việc ở vòng tua thấp để tạo hiệu ứng xoáy lốc cải thiện quá trình hòa trộn, từ đó nâng cao hiệu quả quá trình cháy

- Vô hiệu hóa hoạt động của xu-pap: Hệ thống này có chức năng mở treo toàn bộ xu-pap của một xy-lanh để ngắt hoàn toàn hoạt động của nó, đồng thời giảm sự tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi ở chế độ tải thấp

2.3.2.2 MIVEC - Mitsubishi

Mitsubishi phát minh ra hệ thống MIVEC có nguyên lý hoạt động gần giống với i-VTEC Cam tốc độ thấp hoạt động khi tốc độ thấp và cam tốc độ cao hoạt động khi tốc độ động cơ cao, cùng với cơ cấu thay đổi thời điểm phối khí làm cho động cơ trang bị hệ thống MIVEC đạt được hiệu suất cao

32

2.3.2.3 VANOS và Valvetronic BMW

BMW có hệ thống VANOS thay đổi thời điểm phân phối khí và hệ thống VALVETRONIC thay đổi thời điểm và độ nâng của xu-pap VALVETRONIC là một cải tiến quan trọng giúp động cơ hoạt động hiệu quả, nó có thể thay đổi độ nâng xu-pap một cách tuyến tính tử 0 – 9,7 mm Động cơ có thể không cần sử dụng bướm ga do đó giảm sức cản trên đường nạp và tổn thất do bơm giúp tăng công suất, việc điều chỉnh lượng hòa khí vào trong xy-lanh là do độ nâng của xu-pap Khi tốc độ thấp xu-pap mở với hành trình nhỏ để lượng hòa khí vào trong xy-lanh ít, khi yêu cầu tốc độ động cơ cao thì xu-pap mở với hành trình lớn để nạp lượng hòa khí nhiều hơn Các động cơ BMW hiện đại trang bị cả Double VANOS và VALVETRONIC

Hình 2.15: Hệ thống cam thông minh trên BMW

Cơ cấu nạp nhiên liệu chủ động VVA (Variable Valve Actuation) của Fiat rất giống với hệ thống Valvetronic của BMW VVA điều phối hoạt động của các xu-pap nạp và giúp động cơ vận hành không cần sử dụng bướm ga Nghiên cứu

33 của Fiat khác hệ thống Valvetronic của BMW ở chỗ độ nâng xu-pap được thay đổi bằng thủy lực chứ không phải bằng điện

Tốc độ không tải, trục cam được điều chỉnh sao cho có sự chồng chéo nhẹ

để tối ưu hóa tiêu thụ và vận hành êm ái Sự chồng chéo van nhỏ nhất đã đạt được với sự tuyệt vời của sự lan truyền lượng khí thải lớn nhất có thể và sự lan rộng của ống xả có thể xảy ra Van solenoid của VANOS bị mất điện ở đây Vị trí trục cam cũng được giả định khi ngừng động cơ Trong trạng thái này, bộ điều chỉnh trục khuỷu khóa để sau khi khởi động động cơ, có một sự điều chỉnh trục cam ổn định Điều chỉnh trục cam ổn định này cũng đạt được khi bơm dầu chưa xây dựng được áp suất dầu đủ để điều chỉnh trục cam Với yêu cầu điều chỉnh đầu tiên, dầu chảy trong mở khóa điều chỉnh trục cam thải

Để đạt được mô men xoắn cao ở tốc độ động cơ thấp, van xả được mở muộn Điều này cho phép mở rộng quá trình đốt để di chuyển piston lâu hơn Ở tốc độ động cơ cao, van lớn hơn chồng lên nhau (van xả mở và van xả mở muộn) đạt được công suất đầu ra chiều cao

Kết luận

Tiết kiệm nhiên liệu, động cơ mạnh mẽ hơn, khí thải sạch hơn đó là xu hướng của động cơ đốt trong ngày nay, và điều này được hệ thống phân phối khí đóng vai trò cực kì quan trọng Ngày nay, hầu hết các hãng xe đều trang bị cho những mẫu động cơ mới của mình từ cơ cấu cam cơ khí thông thường sang hệ thống phân phối khí thông minh bởi những ưu điểm quá lớn của nó Các hệ thống cam thông minh như VVT-i của TOYOTA, HONDA có VTEC, AUDI có VarioCam, MIVEC – MITSUBISHI Hệ thống phân phối khí thông minh vừa là linh hồn vừa là hơi thở của mỗi động cơ, chỉ một chút sự thay đổi nhỏ cũng làm nên một kì tích, một cái gì đó làm nên thương hiệu Qua đó, thấy được tầm quan trọng của hệ thống phân phối khí thông minh