(Đồ án tốt nghiệp) ỨNG DỤNG máy TÍNH, KHẢO sát TÍNH TOÁN cơ cấu PHÂN PHỐI KHÍ VVT – i TRÊN ĐỘNG cơ 1TR – FE của TOYOTA

Nhiệm vụ Cơ cấu phân phối khí có nhiệm vụ điều khiển quá trình thay đổi khí trong buồngcháy động cơ: Thải sạch khí thải khỏi xylanh và nạp đầy hỗn hợp hoặc không khí mớivào xylanh động c

ĐỀ TÀI:

ỨNG DỤNG MÁY TÍNH, KHẢO SÁT TÍNH TOÁN CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ VVT – I TRÊN

ĐỘNG CƠ 1TR – FE CỦA TOYOTA

Người hướng dẫn: ThS Nguyễn Lê Châu Thành

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thanh Tuấn a

ĐỀ TÀI:

ỨNG DỤNG MÁY TÍNH, KHẢO SÁT TÍNH

TOÁN CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ VVT – I TRÊN

ĐỘNG CƠ 1TR – FE CỦA TOYOTA

Người hướng dẫn: ThS Nguyễn Lê Châu Thành

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thanh Tuấn a

Tên đề tài: ỨNG DỤNG MÁY TÍNH, KHẢO SÁT TÍNH TOÁN CƠ CẤU PHÂNPHỐI KHÍ VVT-I TRÊN ĐỘNG CƠ 1TR-FE CỦA TOYOTA.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thanh Tuấna; Nguyễn Đức Tấnb

Mã sinh viên: a1811504210349; b1811504210138; Lớp: a18DL3; b18DL1

Trong đề tài này chúng em nghiên cứu:

- Nguyên lý hoạt động của cơ câu phân phối khí VVT-I trên động cơ 1TR-FE

- Tính toán các thông số chính của cơ câu phân phối khí VVT-I trên động cơ1TR-FE

- Thiết kế các chi tiết chính của cơ cấu phân phối khí VVT-I trên động cơ FE

1TR Kiểm tra, hư hỏng, sữa chửa cơ cấu phân phối khí VVTI trên động cơ 1TR1TR FEQua việc khảo sát cấu phân phối khí VVT-I trên động cơ 1TR-FE ta thấy

- Công nghệ VVT-i giúp điều chỉnh vô cấp hoạt động của hệ thống van nạp Từ

đó thời điểm mở và độ mở van có thể biến thiên theo tình trạng vận hành thực tếcủa động cơ

Nhờ vậy mà công suất động cơ đạt được mức tối ưu hơn, nhiên liệu tiết kiệm hơn,lượng khí xả ra môi trường cũng giảm thiểu

Động cơ đốt trong ngày nay đang phát triển rất mạnh mẽ cả về số lượng lẫn chấtlượng, nó đóng một vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực kinh tế, xã hội, khoa họccông nghệ Là nguồn động lực cho các phương tiện vận tải như ôtô, máy kéo, tàuthuỷ, máy bay và các máy động cơ cở nhỏ…

Đối với một sinh viên kỹ thuật, đồ án tốt nghiệp đóng một vai trò rất quan trọng

Đề tài tốt nghiệp được thầy giao cho em là khảo sát hệ thống phân phối khí trên động

cơ 1TR-FE của Toyota Tuy là một đề tài quen thuộc đối với sinh viên nhưng mục đíchcủa đề tài rất thiết thực, nó không những giúp cho em có điều kiện để chuẩn lại cáckiến thức đã học ở trường mà còn có thể hiểu biết kiến thức nhiều hơn khi tiếp xúc vớithực tế Hệ thống phân phối khí của động cơ 1TR-FE của Toyota có nhiều đặc điểmmới lạ Do đó việc khảo sát động cơ này thật sự đã đem đến cho em nhiều điều hay và

bổ ích

Được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Lê Châu Thành, cácthầy cô trong khoa cùng với việc tìm hiểu, tham khảo các tài liệu liên quan và vận dụngcác kiến thức được học, em đã cố gắng hoàn thành đề tài này Mặc dù vậy, do kiến thứccủa em có hạn lại thiếu kinh nghiệm thực tế nên đồ án sẽ không tránh khỏi những thiếusót Em mong các thầy cô góp ý, chỉ bảo thêm để kiến thức của em ngày càng hoànthiện hơn

Cuối cùng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy hướng dẫn “Nguyễn LêChâu Thành” cùng các thầy cô trong khoa và các bạn đã nhiệt tình giúp đỡ để em cóthể hoàn thành đồ án này

Em xin cam đoan số liệu và kết quả thực nghiệm trong đề tài đồ án tốt nghiệp

“ỨNG DỤNG MÁY TÍNH, KHẢO SÁT TÍNH TOÁN CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ VVT – I TRÊN ĐỘNG CƠ 1TR – FE CỦA TOYOTA ” này được tiến hành

công khai, dựa trên sự cố gắng và nổ lực của các thành viên trong nhóm, sự hướng dẫnnhiệt tình từ Thầy ThS Nguyễn Lê Châu Thành

Các số liệu và kết quả trong đề tài này là trung thực do chúng em làm và khôngsao chép cũng như sử dụng các kết quả từ các nghiên cứu khác Nếu phát hiện có sựsao chép hay lấy kết quả từ các đề tài nghiên cứu khác, chúng em xin hoàn toàn chịutrách nhiệm

Nhóm sinh viên thực hiện

Nguyễn Thanh Tuấn

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 2

1.1 Cơ cấu phân phối khí 2

1.1.1 Nhiệm vụ 2

1.1.2 Yêu cầu 2

1.1.3 Phân loại 2

1.2 Động cơ 1 TR-FE 3

1.2.1 Giới thiệu chung 3

1.2.2 Các thông số kỹ thuật cuae xe Innova 3

Chương 2 NGUYÊN LÝ VÀ KẾT CẤU CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ VVT-I TRÊN ĐỘNG CƠ TOYOTA 6

2.1 Đặc điểm chính của cơ cấu phân phối khí VVT-i 6

2.1.1 Pha phân phối khí của cơ cấu phân phối khí VVT-i 6

2.1.2 Cơ sở lý thuyết của hệ thống VVT-i 9

2.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống VVT-i 14

2.2.1 Nguyên lý điều khiển 14

2.2.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống VVT-i 14

2.3 Ưu, nhược điểm của hệ thống VVT-i 18

2.3.1 Ưu điểm 18

2.3.2 Nhược điểm 18

2.4.1 Kết cấu cụm xupap 19

2.4.2 Cụm trục cam 25

Chương 3 TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CHÍNH CỦA CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ VVT-i CỦA ĐỘNG CƠ 1TR-FE 30

3.1 Xác định kích thước tiết diện lưu thông 31

3.2 Dựng hình cam 34

3.3 Tính kiểm nghiệm các chi tiết trong cơ cấu phân phối khí 44

3.4 Tính toán lò xo xupap 45

Chương 4 NHỮNG HƯ HỎNG VÀ PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA SỬA CHỮA 49 4.1 Thiết Kiểm tra các chi tiết liên quan đến xupap 49

4.1.1 Phân tích và chọn phương án bố trí hệ thống truyền lực cho xe thiết kế 49

4.1.2 Làm sạch các xupap 50

4.1.3 Thay bạc dẫn hướng xupap 50

4.1.4 Kiểm tra và mài xupap 51

4.1.5 Kiểm tra và làm sạch đế xupap 52

4.1.6 Kiểm tra lò xo xupap 52

4.2 Kiểm tra trục cam 53

4.2.1 Kiểm tra khe hở dầu trục cam 53

4.2.2 Kiểm tra trục cam và vấu cam 54

4.4 Kiểm tra một số chi tiết ở cơ cấu phân phối khí thông mình

VVT-i 55

4.4.1 Kiểm tra các cò mổ ở cơ cấu phân phối khí 55

4.4.2 Kiểm tra bánh răng phân phối khí trục cam 56

4.4.3 Kiểm tra bộ răng xích 56

4.4.4 Kiểm tra các piston thuỷ lực 56

Chương 5 KẾT LUẬN 57

5.1 Kết luận 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

Bảng 3 1 Thông số ban đầu 30

Bảng 3 2 Thông số chọn 31

Hình 2 1 Pha phân phối khí 7

Hình 2 2 Vị trí mở xupáp xả 8

Hình 2 3 Ảnh hưởng của pha phân phối khí tới hệ số nạp 9

Hình 2 4 Trị số “tiết diện - thời gian” của xupáp nạp 10

Hình 2 5 Đồ thị các vùng làm việc của pha phân phối khí 11

Hình 2 6 Pha phân phối khí ở nhiệt độ thấp, tốc độ thấp ở tải nhẹ, tải nhẹ 12

Hình 2 7 Pha phân phối khí ở tải trung bình, hay khi tốc độ thấp và trung bình ở tải nặng 12

Hình 2 8 Pha phân phối khí ở tốc độ cao và tải nặng 13

Hình 2 9 Sơ đồ điều khiển điện tử 14

Hình 2 10 Trạng thái bộ điều khiển ở chế độ muộn nhất 15

Hình 2 11 Sơ đồ bộ điều khiển ở trạng thái giữ 16

Hình 2 12 Sơ đồ bộ điều khiển ở chế độ mở sớm 17

Hình 2 13 Kết cấu xupap nạp và thải 19

Hình 2 14 Kết cấu phần đuôi xupap 21

Hình 2 15 Kết cấu đế xupap 22

Hình 2 16 Kết cấu ống dẫn hướng xupap 22

Hình 2 17 Kết cấu lò xo xupap 23

Hình 2 18 Kết cấu cò mổ 24

Hình 2 19 Kết cấu con đội thuỷ lực 25

Hình 2 20 Kết cấu trục cam 27

Hình 2 21 Dẫn động trục cam 28

Hình 3 2 Dựng hình cam lồi của cam nạp 36

Hình 3 3 Cam nạp 38

Hình 3 4 Dựng hình cam lồi của cam thải 39

Hình 3 5 Cam thải 40

Hình 3 6 Động học con đội đáy bằng giai đoạn 1-2 41

Hình 3 7 Đồ thị đặc tính lò xo 48

Hình 4 1 49

Hình 4 2 50

Hình 4 3 Quy trình kiểm tra cò mổ 55

MỞ ĐẦU

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Cơ cấu phân phối khí

1.1.1. Nhiệm vụ

Cơ cấu phân phối khí có nhiệm vụ điều khiển quá trình thay đổi khí trong buồngcháy động cơ: Thải sạch khí thải khỏi xylanh và nạp đầy hỗn hợp hoặc không khí mớivào xylanh động cơ để động cơ làm việc được liên tục

1.1.2. Yêu cầu

Cơ cấu phối phải đảm bảo các yêu cầu sau:

- Đóng mở đúng quy luật và thời điểm quy định

Cơ cấu phân phối khí được phân thành các loại sau:

Cơ cấu phối khí dùng cam xupap

Là loại cơ cấu phối khí được sử dụng phổ biến trong các loại động cơ đốttrong, có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, dễ điều chỉnh, giá thành không cao lắm

Cơ cấu phối khí dùng van trượt

Là loại cơ cấu có nhiều ưu điểm như tiết diện lưu thông lớn, dễ làm mát, íttiếng ồn Nhưng do kết cấu khá phức tạp, giá thành cao nên người ta chỉ sử dụngcho các loại xe đặc biệt như động cơ xe đua

Cơ cấu phối khí dùng piston đóng mở cửa nạp và cửa thải:

Trong một số động cơ hai kỳ, việc nạp thải khí bằng lỗ (quét vòng), pistoncủa chúng làm nhiệm vụ của van trượt, đóng mở lỗ thải và lỗ nạp Loại dùngtrong động cơ này không có cơ cấu dẫn động van trượt riêng nên vẫn dùng cơcấu khuỷu trục – thanh truyền dẫn động piston

Cơ cấu phân phối khí hỗn hợp thường dùng lỗ để nạp và xupáp để thảikhí

1.2 Động cơ 1 TR-FE

1.2.1. Giới thiệu chung

Động cơ 1TR-FE lắp trên xe Innova của hãng Toyota là loại động cơ xăng thế

hệ mới, 4 xy lanh thẳng hàng, dung tích xy lanh 2,0lít trục cam kép DOHC 16 xupapdẫn động bằng xích thông qua con đội thuỷ lực với hệ thống van nạp được điều khiểnthông minh VVT-i

Động cơ có công suất 100Kw/5600v/p có hệ thống đánh lửa trực tiếp điềukhiển bằng điện tử và hệ thống nhiên liệu phun trực tiếp điều khiển bởi ECU

Toyota Innova có 2 loại: Innova G và Innova J

Bảng 1 2 Trọng lượng và kích thước xe Innova

Động cơ

Khung xe

bằng

Bảng 1 4 Thông số khung xe

Chương 2 NGUYÊN LÝ VÀ KẾT CẤU CƠ CẤU PHÂN PHỐI

KHÍ VVT-I TRÊN ĐỘNG CƠ TOYOTA

2.1 Đặc điểm chính của cơ cấu phân phối khí VVT-i

2.1.1 Pha phân phối khí của cơ cấu phân phối khí VVT-i

Pha phân phối khí của động cơ là các góc mở sớm và đóng muộn của các xupáp.Thời gian mở sớm và đóng muộn được đo bằng góc quay của trục khuỷu và tính bằngđộ

Pha phân phối khí của động cơ có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình hoạt động củađộng cơ, thể hiện qua hệ số khí nạp ( ηv ) và hệ số khí sót ( γ r ) Các hệ số này ảnh

hưởng đến công suất của động cơ và múc độ khí ô nhiễm thải ra môi trường

Để thải sạch sản vật cháy ra khỏi xi lanh, xupáp xả không đóng tại vị trí ĐCT

góc quay trục khuỷu, nghĩa là khi bắt đầu kỳ một)

Để giảm cản cho quá trình nạp, có nghĩa là đảm bảo cho đường thông qua xupápnạp đã được mở rộng dần trong khi piston đi xuống trong kỳ một, xupáp nạp cũng

trục khuỷu) Như vậy vào cuối kỳ bốn và đầu kỳ một cả xupáp nạp và xả đều mở Giaiđoạn cùng mở của các xupáp nạp và xả được gọi là thời kỳ trùng điệp của các xupáp.Thời kỳ này có tác dụng tốt đến việc thải sạch khí xả và nạp đầy môi chất mới vàoxilanh nhờ tác dụng hút của dòng khí xả trên đường ống thải

Giai đoạn tính từ lúc mở đến lúc đóng các xupáp (tính bằng góc quay trụckhuỷu) được gọi là pha phân phối khí

Ảnh hưởng của pha phân phối khí đến quá trình nạp và thải của động cơ bốn kỳ được

cho giá trị của hệ số khí nạp ηv và hệ số khí sót γ r tính theo pha phân phối khí lý

thuyết được sát với giá trị thực trong động cơ thực tế

Hình 2 1 Pha phân phối khí1- Vị trí mở xupap nạp; 2- Vị trí đóng xupap nạp.3- Vị trí mở xupap xả; 4- Vị trí đóngxupap xả.

Hiện nay chưa có một phương pháp giải tích chặt chẽ để xác định λ1 và λ2

dựa vào số liệu thực nghiệm Vì vậy cần phải tìm hiểu kỹ các pha phân phối của nhữngđộng cơ đã chế tạo và ảnh hưởng của chúng đến diễn biến quá trình nạp và thải củađộng cơ

Ảnh hưởng của pha phân phối đến quá trình hoạt động của động cơ:

Xupáp thải bắt đầu mở sớm trước khi piston tới ĐCD nhằm tạo điều kiện thuận lợicho quá trình thải, bằng cách cho sản vật cháy tự thoát ra nhờ chênh áp giữa xilanh vàđường thải Với mục đích làm giảm tải trọng động cho xupap, cần phải cho xupáp mở

và đóng đường thông một cách từ từ Chính vì vậy việc mở sớm xupáp thải nhằm tạo ragiá trị “thời gian – tiết diện” đủ để áp suất trong xilanh được giảm đến mức yêu cầu khipiston bắt đầu đi ngược từ ĐCD lên ĐCT Khi đã mở sớm xupáp thải vào thời điểmhợp lý sẽ làm giảm công tiêu hao cho việc đẩy khí thải Nhưng nếu mở xupáp thải quásớm sẽ làm giảm công giãn nở trên đồ thị công, qua đó làm giảm công suất động cơ.Tốc độ của động cơ càng cao thì thời điểm mở xupáp thải phải càng sớm

Xupáp thải bao giờ cũng đóng muộn (sau khi piston đã đi qua ĐCT) nhằm đảmbảo đủ trị số “thời gian – tiết diện” cho sản vật cháy đi ra ở cuối hành trình thải, mặtkhác nhằm lợi dụng chênh áp Δpr= pr− pth > 0 để sản phẩm cháy được thải tiếp,

giảm lượng khí sót còn lại trong xilanh Ngoài ra, việc đóng muộn xupáp xả còn nhằm

sử dụng quán tính của dòng khí trên đường thải, sinh ra giảm áp có tính chu kỳ, thấphơn giá trị trung bình của pth , tạo điều kiện thuận lợi để thải sạch hơn.

Hình 2 2 Vị trí mở xupáp xả1- Mở xupap ngay ĐCD; 2- Mở xupap quá sớm; 3- Mở sớm xupap hợp lý

Thời gian bắt đầu mở xupáp nạp cần chọn sao cho khi áp suất trong xilanh (do giãn

nở của khí sót) hạ xuống thấp hơn áp suất môi chất trên đường nạp, thì tiết diện lưuthông của xupáp nạp đã đủ lớn để môi chất mới đi vào Do đó thường phải mở sớmxupap nạp (trước khi piston tới ĐCT)

xupap nạp đã tạo ra thời kỳ trùng điệp cùng mở của các xupáp, nghĩa là cả xupap nạp

và xupap thải cùng mở thông xi lanh với đường nạp và đường thải Lúc đó mặt dùpiston đã từ ĐCT đi xuống nhưng dòng khí trên đường thải vẫn chưa đổi hướng cònkhí nạp đã bắt đầu qua xupap nạp đi vào xilanh nhờ lực hút do quán tính của dòng khíthải tạo ra Đôi khi thời gian trùng điệp còn thực hiện quét buồng cháy, nghĩa là môichất mới vào buồng cháy đẩy khí sót ra đường thải (động cơ diezel)

Thông thường thời gian trùng điệp của động cơ tăng áp lớn hơn so với động cơkhông tăng áp, bằng cách tăng thời gian mở sớm xupáp nạp của động cơ tăng áp màsản vật cháy vẫn không thể thâm nhập vào đường nạp được Thực hiện quét buồngcháy khi tăng áp một mặt sẽ tăng hệ số nạp, mặt khác rất quan trọng là dùng dòngkhông khí quét để làm mát các chi tiết nóng nhất như đỉnh piston, nắp xilanh, xupáp…Xupáp nạp cũng thường đóng muộn, sau khi piston đã vượt qua ĐCD nhằm nạp thêm

vẫn còn Do đó có thể kéo dài quá trình nạp thêm một giai đoạn sau ĐCD cho đến khi

áp suất trong xilanh trở nên lớn hơn pk

2.1.2. Cơ sở lý thuyết của hệ thống VVT-i

Theo sự phân tích trên ta thấy động cơ hoạt động ở các tốc độ khác nhau, ở mỗi tốc độ

tối ưu ở dãi tốc độ đó

Theo nguyên lý động cơ đốt trong: Động cơ vận tải hoạt động ở tốc độ khác nhau, mỗi

phân phối khí tối ưu chọn ở tốc độ lớn n’, còn đường 2 là góc phối khí tối ưu chọn ở tốc

độ nhỏ n’’ Đường nét đứt 3 là đường biến thiên của ηv =f(n) nhờ pha phân phối khí

tối ưu cho tốc độ Khi đó, giá trị thực tế của hệ số nạp và hệ số khí sót tính theo phaphân phối khí lý thuyết đựợc gần với giá trị thực tế ở các chế độ làm việc của đông cơ

Hình 2 3 Ảnh hưởng của pha phân phối khí tới hệ số nạpPha phân phối khí thể hiện qua các góc mở sớm và đóng muộn của xupap còn làm tăng

“ tiết diện - thời gian” của đường thông đi qua xupap nạp cũng như xupap thải từ lúc

mở đến khi đóng xupap, nhờ đó làm giảm tốc độ dòng chảy và giảm cản của xupap, kếtquả làm tăng hệ số nạp ηv Giá trị “ tiết diện - thời gian” được tính theo biểu thức

sau :

f : Tiết diện lưu thông qua xupáp (m2)

d : Vi lượng góc quay trục khuỷu (độ)

ϕmo

ϕdong

fdϕ

được xác định qua diện tích đồ thị phía dưới đường f = f() hình.2.4

Hình 2 4 Trị số “tiết diện - thời gian” của xupáp nạpMặt khác khi các xupáp đóng mở các cửa nạp và thải đúng lúc theo từng tốc độ khácnhau cũng cải thiện được các sản vật cháy sinh ra ít gây ô nhiễm môi trường

Như vậy, để cho động cơ làm việc tốt nhất, hiệu quả nhất ở mỗi chế độ làm việc thìphải cần có một pha phân phối tương ứng hay nói cách khác thì các góc đóng mở củacác xupáp phải thay đổi theo phù hợp với tốc độ động cơ Đối với các động cơ thôngthường việc làm này rất khó khăn

Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ nhất là côngnghệ điều khiển tự động Hơn hết là điều khiển tự động bằng thủy lực Điều khiển bằngthủy lực làm việc có hiệu quả cao, độ nhạy lớn, phù hợp với việc điều khiển các cơ cấumang tính chính xác cao Nhiều nhà sản xuất, chế tạo động cơ trên thế giới đã áp dụngcông nghệ này vào việc điều khiển các cơ cấu, các chi tiết,… trong động cơ Đi đầu lànhà sản xuất động cơ Toyota áp dụng hệ thống xoay trục cam nạp vào việc điều khiển

cơ cấu phân phối khí trong động cơ Với hệ thống này sẽ tự động điều khiển xoay trụccam nạp đi một góc nào đó để thay đổi góc phân phối khí phù hợp với từng chế độ làmviệc của động cơ

Hệ thống xoay trục cam nạp sử dụng áp suất dầu bôi trơn của động cơ cùng với sự điềukhiển của van điện từ làm xoay trục cam dẫn động xupáp

Khi sử dụng hệ thống này trong cơ cấu phân phân phối khí có thể làm cho các giá trịcủa hệ số khí nạp và hệ số khí sót thực tế gần với giá trị theo tính toán lý thuyết ở cáctốc độ khác nhau của động cơ Đồng thời cũng làm tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu,làm giảm nồng độ khí xả độc hại, mang lại tính kinh tế cao đáp ứng được các yêu cầucủa người tiêu dùng và tiêu chuẩn về mức độ ô nhiễm môi trường của thế giới đặt ra.Tuy nhiên để việc điều khiển chính xác cho hệ thống trong cơ cấu phân phối khí cầnphải lắp các cảm biến để nhận biết được trạng thái làm việc của động cơ như cảm biến

vị trí trục khuỷu, cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến vị trí trục cam, cảm biến nhiệt độnước làm mát, … Các giá trị nhận được từ các cảm biến sẽ truyền đến bộ xử lý tínhtoán ECU của động cơ

Đặc điểm cơ cấu phân phối khíVVT-i.

Hình 2 5 Đồ thị các vùng làm việc của pha phân phối khí

VVT-i động cơ 1TR-FE

• 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 lặp xupáp giảm đi đểgiảm khí xả chạy ngược lại phía nạp Điều này làm ổn định chế độ không tải và cảithiện tính kinh tế nhiên liệu và tính khởi động

Hình 2 6 Pha phân phối khí ở nhiệt độ thấp, tốc độ thấp ở tải nhẹ, tải nhẹ

• 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 lặp xupáp tăng lên để tăng EGR nội

bộ và giảm mất mát do hành trình bơm (thải và nạp) Điều này cải thiện ô nhiễm khí xả

và tính kinh tế nhiên liệu Ngoài ra, cùng lúc đó thời điểm đóng xupáp nạp được đẩysớm lên để giảm hiện tượng quay ngược khí nạp lại đường nạp và cải thiện hiệu quảnạp

Hình 2 7 Pha phân phối khí ở tải trung bình, hay khi tốc độ thấp và trung bình ở tải

nặng

• Khi tốc độ cao và tải nặng

Thời điểm phối khí được làm sớm lên nhưng với mức độ nhỏ hơn so với trường hợp ởtải trung bình, hay khi tốc độ thấp và trung bình ở tải nặng và độ trùng lặp xupáp tănglên để tăng EGR nội bộ và giảm mất mát do bơm Điều này cải thiện ô nhiễm khí xả vàtính kinh tế nhiên liệu Ngoài ra, cùng lúc đó thời điểm đóng xupáp nạp đợc đẩy sớmlên để giảm hiện tượng quay ngược khí nạp lại đường nạp và cải thiện hiệu quả nạp.Ngoài ra, điều khiển phản hồi được sử dụng để giữ thời điểm phối khí xupáp nạp thực

tế ở đúng thời điểm tính toán bằng cảm biến vị trí trục cam

Hình 2 8 Pha phân phối khí ở tốc độ cao và tải nặng

1- Góc mở sớm xupap nạp; 2- Góc đóng muộn xupap nạp.3- Góc mở sớm xupapxả; 4- Góc đóng muộn xupap xả

2.2 Nguyín lý lăm việc của hệ thống VVT-i

2.2.1. Nguyín lý điều khiển

Nguyín lý điều khiển điện tử:

Cảm biến vị trí trục cam

Cảm biến nhiệt độ nước làm mát

Cảm biến vị trí bướm ga

Cảm biến lưu lượng khí nạp

Cảm biến vị trí trục khuỷu

Bộ điều khiển xoay cam Van điều khiển phối khí

Thời điểm phối khí thực tế

Hiệu chỉnh

Thời điểm phối khí cần chỉnh

Phản hồi ECU động cơ

Hình 2 9 Sơ đồ điều khiển điện tửECU của động cơ tính toân thời điểm phối khí tối ưu nhất dựa trín câc tín hiệu từ câccảm biến, sau đó so sânh với thời điểm phối khí thực tế (nhận biết được từ tín hiệu cảmbiến) vă điều khiển van dầu lăm xoay trục cam đi một góc cần điều chỉnh

Cảm biến vị trí trục khuỷu vă cảm biến vị trí trục cam lăm nhiệm vụ nhận biết thờiđiểm phối khí thực tế của động cơ nhờ ECU động cơ Ngoăi ra cảm biến vị trí trụckhuỷu còn nhận biết tốc độ của động cơ Cảm biến vị trí bướm ga vă cảm biến vị trílưu lượng khí nạp cho biết tải của động cơ đang hoạt động, câc tín hiệu nhận được từcảm biến được đưa về ECU động cơ để xử lý Bộ xử lý ECU của động cơ nhận câc tínhiệu của câc cảm biến vă xử lý để đưa câc tín hiệu ra bộ điều khiển để điều khiển vanphối khí đóng mở phù hợp với chế độ lăm việc của động cơ

2.2.2. Nguyín lý lăm việc của hệ thống VVT-i

a) Nguyín lý lăm việc của bộ điều khiển ở chế độ xupâp mở muộn nhất:

Bộ điều khiển ở chế độ mở muộn nhất ứng với câc trường hợp động cơ ở câcchế độ khi khởi động, động cơ dừng, động cơ chạy ở chế độ không tải vă động cơ chạy

ở chế độ nhiệt độ thấp Câc chế độ năy yíu cầu yíu cầu hỗn hợp phải đậm để động cơ

dễ khởi động, chạy không tải ổn định hơn… Đồng thời ở câc chế độ năy bướm gathường mở nhỏ nín độ chđn không trước xupâp nạp thấp Do đó độ chính âp giữa âp

suất trước và sau xupáp nạp nhỏ vì vậy khí nạp mới khó đi vào xilanh Hệ số khí sóttrong xilanh ở các chế độ này lớn và có xu thế quay lại đường nạp Để giảm lượng khísót này cần phải mở trễ xupap nạp Khi áp suất khí sót đủ nhỏ thì độ chênh áp giữa ápsuất trước và sau xupap nạp đủ lớn, lúc này việc mở xupap nạp là phù hợp nhất để khínạp được nạp đầy vào trong xilanh Lúc này van điều khiển được chỉnh ở vị trí xoay trễbằng tần số tín hiệu trễ từ bộ điều khiển điện tử ECU, áp suất dầu tương ứng được épvào buồng cánh gạt phía mở trễ để làm quay trục cam theo hướng điều chỉnh trễ Bộđiều khiển giữ ở chế độ muộn nhất nhờ chốt hãm ở trên cánh quay lắp chặt với trụccam Trong truờng hợp này đường dầu về phía muộn sẽ thông với cate làm áp suấtgiảm, đường dầu về phía sớm được bơm dầu vào Do đó bộ điều khiển giữ ở chế độ mởmuộn nhất.

Hình 2 10 Trạng thái bộ điều khiển ở chế độ muộn nhất

1 Vỏ van ; 2 Lò xo ; 3 Đường dầu về; 4 Đường dầu đi; ;5 Phớt chắn dầu; 6 Cuộn dây điện từ; 7 – Piston; 8 – Dắt cắm; 9, 10- Đến bộ điều khiển; 11 – Trục cam;

-12 – Vỏ bộ điều khiển; 13 – Chốt hãm; 14 – Bulông; 15 – Phớt chắn dầu

Tóm lại ở các chế độ này thời điểm phối khí của trục cam nạp cần trễ lại và độtrùng lặp phối khí giảm đi để làm giảm hệ số nạp và lượng khí sót chạy lại đường nạp,trong trường hợp này ta chỉ cần phun vào đường nạp lượng nhiên liệu ít nhưng vẫn

đảm bảo được hỗn hợp đậm Vì vậy làm cho động cơ hoạt động ở các chế độ này ổnđịnh hơn, cải thiện được tính kinh tế nhiên liệu khi khởi động.

b) Nguyên lý làm việc của bộ điều khiển ở chế độ giữ:

Khi tăng tốc độ và tải thì ECU động cơ điều khiển van cung cấp dầu vào bộ điềukhiển quay trục cam về phía xupáp nạp mở sớm dần lên phù hợp với chế độ hoạt độngcủa động cơ Lúc này góc trùng điệp tăng lên để tăng lượng hồi lưu khí xả và để giảmnồng độ khí thải độc hại và cải thiện tính kinh tế nhiên liệu, đồng thời xupáp nạp cũngđóng sớm hơn để tránh cho hỗn hợp khí và nhiên liệu quay lại đường nạp để tăng hệ sốnạp

Hình 2 11 Sơ đồ bộ điều khiển ở trạng thái giữ

1 Vỏ van; 2 Lò xo; 3 Đường dầu về; 4 Đường dầu đi;5 Phớt chắn dầu; 6 Cuộn dây điện từ; 7 – Piston; 8 – Dắt cắm; 9, 10- Đến bộ điều khiển; 11 – Trục cam;

-12 – Vỏ bộ điều khiển; 13 – Chốt hãm; 14 – Bulông; 15 – Phớt chắn dầu

Khi tăng tốc, tải đến mức nào đó thì yêu cầu hỗn hợp nhạt dần để đảm bảo tínhkinh tế nhiên liệu Do đó, ECU động cơ điều khiển van cung cấp dầu cho bộ điều khiểnphối khí quay trục cam đúng thời điểm tính toán của ECU Lúc này van điều khiển dịchsang trái và dầu đi vào đường mở muộn với áp suất cao đẩy chốt hãm thắng lực lò xo

và mở khoá chốt hãm Mặt khác, dầu đi vào khoang mở sớm đẩy cánh quay lắp chặt

với trục cam ngược chiều kim đồng hồ làm xupáp nạp mở sớm lên Đồng thời, dầutrong đường dầu thông với khoang mở muộn về cate Đến một thời điểm nào đó camnạp quay đúng bằng góc mà ECU tính toán với chế độ làm việc của động cơ ở thờiđiểm đó nhờ tín hiệu phản hồi từ cảm biến trục khuỷu Lúc này ECU động cơ điềukhiển van phân phối khí đóng các đường dầu thông với cate và không cho dầu đi vào

bộ điều khiển của hệ thống Khi đó bộ điều khiển ở trạng thái giữ Nếu có sự thay đổitải hay tốc độ động cơ thì ECU sẽ điều khiển lại trạng thái giữ cho phù hợp với chế độlàm việc của động cơ

Nguyên lý làm việc của bộ điều khiển ở chế xupáp nạp mở sớm nhất:

Hình 2 12 Sơ đồ bộ điều khiển ở chế độ mở sớm

1 Vỏ van ; 2 Lò xo ; 3 Đường dầu đi; 4 Đường dầu về; 5 Phớt chắn dầu; 6 Cuộn dây điện từ; 7 – Piston; 8 – Jack cắm; 9, 10- Đến bộ điều khiển; 11 – Trục cam;

-12 – Vỏ bộ điều khiển; 13 – Chốt hãm; 14 – Bulông; 15 – Phớt chắn dầu

Trường hợp ứng với động cơ hoạt động ở tốc độ thấp đến trung bình và tải nặng.Động cơ thường xuyên hoạt động ở giãi tốc độ này Khi tăng tải độ mở của bướm galớn làm cho sức cản dòng khí giảm nên độ giảm áp trên đường nạp nhỏ làm cho áp suấttrước xupáp nạp cao Do vậy thời điểm phối khí phải sớm lên và sớm nhất ở trườnghợp 100% tải để tận dụng dòng khí nạp đi vào xilanh khi áp suất trong xilanh nhỏ hơn

bộ để giảm tổn thất khí động do đó cải thiện tính kinh tế nhiên liệu và giảm nồng độkhí thải độc hại Ngoài ra, cùng lúc đó xupáp nạp cũng đóng sớm hơn để giảm hiệntượng hỗn hợp khí quay ngược lại đường nạp.

Để điều khiển ECU động cơ nhận tín hiệu từ các cảm biến vị trí trục khuỷu, cảmbiến vị trí bướm ga, cảm biến lưu lượng khí nạp, cảm biến vị trí trục cam để nhận biếtchế độ làm việc của động cơ Lúc này ECU điều khiển van phối khí dịch sang trái, ápsuất dầu tương ứng được cấp vào buồng cánh gạt phía mở sớm để đẩy cánh quay vềphía mở sớm đồng thời mở thông với cate ở đường dầu về phía muộn Do đó cánhquay quay đến vị trí xupap mở sớm nhất

2.3 Ưu, nhược điểm của hệ thống VVT-i

Hệ thống VVT-i mang lại tính năng vượt trội nhờ thay đổi thời điểm phối khí phùhợp với các chế độ làm việc của động cơ Ở các chế độ làm việc khác nhau thì hệ thốngVVT-i tạo ra một số pha phân phối khí khác nhau Pha phân phối khí mà hệ thốngVVT-i điều khiển ở các chế độ làm việc tối ưu Do đó, động cơ lắp hệ thống VVT-i thìhội tụ ba tính năng ưu việc vốn khó tương thích với nhau trong một động cơ đó là :Tăng công suất, tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường Động cơ lắp hệthống VVT-i có những ưu điểm vượt trội sau nên hệ thống VVT-i được sử dụng hầuhết trên các loại động cơ của hãng TOYOTA

2.3.1. Ưu điểm

- Cải thiện quá trình nạp và thải cho động cơ ở mọi chế độ làm việc.

- Tăng công suất cho động cơ do tăng được hệ số nạp

- Tiết kiệm được nhiên liệu, tăng tính kinh tế cho động cơ

- Giảm ô nhiễm môi trường

- Động cơ chạy ở chế độ không tải ổn định hơn và dể khởi động hơn.

- Tăng giá thành chế tạo động cơ

- Bảo dưỡng và sửa chữa yêu cầu công nhân có trình độ tay nghề cao

- Động cơ có hệ thống VVT-i thì yêu cầu chất lượng dầu bôi trơn cũngnhư lọc dầu bôi trơn cũng phải cao

2.4 Kết cấu các cụm chi tiết của cơ cấu phân phối khí trên động cơ

1TR-FE

2.4.1. Kết cấu cụm xupap

Xupáp là chi tiết trực tiếp cho dòng khí nạp vào buồng đốt và thải khí cháy rangoài với một thời gian ngắn trong một chu kì làm việc của pittông Trong quá trìnhlàm việc xupáp chịu tải trọng cơ học và tải trọng nhiệt

chịu tác động của lực quán tính nên khi làm việc luôn bị va đập mạnh với đế xupáp nênrất dễ gây biến dạng

Về tải trọng nhiệt: Xupáp thải làm việc trực tiếp với khí thải có nhiệt độ khoảng

thường quá nóng và bị xâm thực Xupáp nạp nhờ dòng khí nạp làm mát nên chịu nhiệtnhỏ hơn xupáp xả

Do xupáp làm việc trực tiếp với khí cháy nên vật liệu chế tạo xupáp là các théphợp kim chịu nhiệt tốt Với lớp hợp kim này làm cho xupáp ít mòn và chống được gỉcủa mặt nấm xupáp thải

Kết cấu của xupáp gồm 3 phần chính: Phần nấm xupáp, thân xupáp và phầnđuôi

Hình 2 13 Kết cấu xupap nạp và thải

* Phần nấm:

Kết cấu của nấm xupáp chẳng những có ảnh hưởng quyết định đến giá thành chếtạo xupáp mà còn ảnh hưởng đến độ bền, trọng lượng và tình trạng của dòng khí lưuđộng qua họng đế xupáp nữa Nấm xupáp nạp và xupáp xả của động cơ Duratec được

sử dụng là loại nấm bằng Ưu điểm của loại này là đơn giản dễ chế tạo

này vừa đảm bảo được độ bền của nấm, vừa đảm bảo tiết diện lưu thông khi mở xupáp

của mặt nấm càng kém do đó dễ bị cong vênh, tiếp xúc không kín khít với đế xupáp

Đôi khi góc của mặt côn trên nấm xupáp còn làm nhỏ hơn góc của mặt côn trên

của mặt côn Làm như vậy có thể đảm bảo tiếp xúc được kín khít dù mặt nấm có bịbiến dạng nhỏ

- Đường kính của nấm xupáp thải xt = 30 (mm)

* Phần thân xupáp:

Thân xupáp có đường kính thích đáng để dẫn hướng tốt, tản nhiệt tốt và chịuđược lực nghiêng khi xupáp đóng mở Để giảm nhiệt độ cho xupáp người ta có xuhướng tăng đường kính của thân xupáp và kéo dài ống dẫn hướng đến gần nấm xupáp.Nhưng do phải đảm bảo tiết diện lưu thông và gọn nhẹ nên thân xupáp cũng không thểlàm quá lớn Vì hệ thống phân phối khí của động cơ đang khảo sát, xupáp được dẫnđộng trực tiếp từ cam do đó xupáp chịu lực ngang lớn nên đường kính thân xupáp lớn

Thân xupáp nạp và thải có dạng hình trụ dài Chỗ chuyển tiếp giữa thân và nấm

có góc lượn

Đường kính thân xupáp nạp: dtn = 5,5 (mm)

Đường kính thân xupáp xả: dtx = 5,5 (mm)

Chiều dài của thân xupáp tùy thuộc vào cách bố trí xupáp Nó thường thay đổitrong phạm vi khá lớn lt = (2,5 ¿ 3,5) X Chiều dài của thân xupáp cần lựa chọn đủ

để lắp ống dẫn hướng và lò xo xupáp

Chiều dài thân của xupáp nạp: ltn = 79,78 (mm)

Chiều dài thân của xupáp thải: ltt = 81,72 (mm)

* Đuôi xupáp:

Phần đuôi xupáp trực tiếp va đập với con đội do đó mặt trên của phần đuôi phải đượctôi cứng Ở phần đuôi xupáp có đoạn khoéc rãnh để lắp móng hãm

Hình 2 14 Kết cấu phần đuôi xupap

Đế chặn lò xo phía trên được lắp với xupáp bằng 2 móng hãm hình côn lắp vào đoạn cóđường kính nhỏ trên đuôi Mặt phía ngoài của móng hãm ăn khớp với mặt côn của lỗđĩa lò xo

Kiểu lắp dùng móng hãm có ưu điểm lớn là không gây nên ứng suất tập trungtrên đuôi xupáp Tuy vậy việc gia công móng hãm rất khó khăn.

* Đế xupáp:

Cơ cấu phân phối khí của động cơ đang khảo sát dùng xupáp treo, đường thải vàđường nạp bố trí trong nắp xilanh Để giảm hao mòn cho thân máy và nắp xi lanh khichịu lực va đạp của xupáp, người ta dùng đế xupáp ép vào họng đường thải và đườngnạp Vì thân máy và nắp xilanh được chế tạo bằng hợp kim nhôm nên đế xupáp được

ép cho cả đường nạp và đường thải

Kết cấu của đế xupáp rất đơn giản Mặt ngoài của đế là hình trụ trên có vát mặtcôn để tiếp xúc với mặt côn của nấm xupáp Đế được chế tạo bằng thép hợp kim chịumài mòn

Ngoài ra để dễ sữa chữa và tránh hao mòn cho thân máy hoặc nắp xilanh ở chỗlắp xupáp người ta lắp ống dẫn hướng trên các chi tiết này Xupáp được lắp vào ống

dẫn hướng theo chế độ lắp lỏng Khe hở giữa ống dẫn hướng và thân xupáp phụ thuộcvào đường kính thân xupáp.

Hình 2 16 Kết cấu ống dẫn hướng xupap

Chiều dày ống thường vào khoảng 3 (mm) Chiều dài ống dẫn hướng phụ thuộc

X là đường kính nấm xupáp

Chiều dài ống dẫn hướng đối với xupáp nạp: ln = 2,05.35 = 72 (mm)

Chiều dài ống dẫn hướng đối với xupáp thải: lt = 2,4.30 = 72 (mm)

Đường kính trong của ống dẫn hướng: d = 5,509 (mm)

Để bôi trơn ống dẫn hướng và thân xupáp dùng phương pháp hứng dầu từ phíatrục cam Tuy nhiên cũng không cần bôi trơn nhiều vì dầu có thể vào buồng cháy dọctheo đường thân xupáp xuống nấm gây hiện tượng kết muội

* Lò xo xupáp:

Lò xo xupáp dùng để đóng kín xupáp trên đế xupáp và đảm bảo xupáp chuyểnđộng theo đúng qui luật của cam phân phối khí, do đó trong quá trình mở đóng xupápkhông có hiện tượng va đập trên mặt cam

Lò xo chịu tải trọng thay đổi theo chu kỳ và chịu dao động

Kết cấu lò xo dạng hình trụ Bước xoắn trên cùng của lò xo có đường kính nhỏhơn so với các vòng còn lại của lò xo Sự chênh lệch này có kích thướt A = 1,95 (mm).

Hình 2 17 Kết cấu lò xo xupapKết cấu lò xo của xupáp nạp và thải trong động cơ là giống nhau Có chiều dài lớn nhất

vòng đầu của lò xo) Nếu số vòng công tác của là xo càng ít thì mỗi vòng của lò xobiến dạng càng nhiều vì vậy lò xo chịu ứng suất xoắn càng lớn Ngược lại, nếu số vòngcông tác nhiều quá, lò xo quá dài, độ cứng của lò xo giảm, tần số dao động tự do thấp

dễ bị cộng hưởng, sinh va đập với mặt cam

Bước xoắn của lò xo được quấn giống nhau trên toàn bộ chiều dài của lò xo

Lò xo xupáp làm việc trong điều kiện tải trọng động thay đổi rất đột ngột Vìvậy vật liệu chế tạo lò xo thường dùng dây thép có đường kính 4 (mm)

Đường kính lớn nhất của lò xo dl = 18,5 (mm)

* Kết cấu cò mổ:

Cò mổ: Cò mổ loại con lăn dùng 1 vòng bi kim giúp giảm ma sát, do đó cải thiện

được tính kinh tế nhiên liệu

Hình 2 18 Kết cấu cò mổ8- Ổ bi kim; 7 – Chốt Cò mổ.

* Kết cấu con đội:

Động cơ 1TR-FE sử dụng loại con đội thuỷ lục

áp lực của dầu và lực lò xo

Hình 2 19 Kết cấu con đội thuỷ lực1- Piston đẩy; 2- Buồng áp suất thấp; 3- Đường dầu; 4- Lò xo;

5- Buồng dầu áp suất cao; 6- Lò xo van bi; 7- Van bi

điểm tựa