ĐIỀU KHIỂN đặc TÍNH ĐỘNG cơ

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 xupap giảm đi để giảm khí xả chạy ngược lại phía nạp..

ĐIỀU KHIỂN ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ

1 Mục đích của việc điều khiển đặc tính động cơ:

Ngày nay, để cải thiện các tính năng kinh tế, kĩ thuật và giảm ô nhiễm môi trường, hệ thống điều khiển động cơ đã được điện tử hóa, tin học hóa Trong đó hệ thống phối khí có rất nhiều thay đổi, như: tạo ra thời điểm đóng, mở các xupap biến thiên thông minh (VVT-I, VTEC ), thay đổi hành trình xupap thông minh (VVTL-I, MIVEC, VVEL, Vavetronic ) để tạo ra các vùng đặc tính tối ưu của động cơ (được gọi là loại động cơ 2,3 trong một)

Góc mở sớm đóng muộn của xupap có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình nạp thải Góc mở sớm, đóng muộn của các xupap lớn làm tăng tiết diện và thời gian mở xupap, qua đó làm giảm tổn thất nạp, thải và tăng khả năng nạp của động cơ Ngoài ra, góc đóng muộn xupap có tác dụng tận dụng quán tính nạp thêm khí nạp mới cũng làm tăng

hệ số nạp

Với các động cơ thông thường, thời điểm phối khí được cố định Nhưng với động cơ có hệ thống VVT-I, VTEC pha phối khí có thể thay đổi được trong quá trình làm việc của động cơ tùy theo các chế độ làm việc của động cơ

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 xupap giảm đi để giảm khí xả chạy ngược lại phía nạp Điều này làm ổn định chế độ không tải và cải thiện tính kinh tế nhiên liệu và tính khởi động

Các thời điểm pha phối khí

1 Chế độ không tải ổn định

2 Chế độ tiết kiệm nhiện liệu và giảm khí thải

3 Chế độ cho công suất tối đa

Thời điểm phối khí của

xupap nạp

Hình 1 Chế độ điều khiển pha phối khí

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 xupap tăng lên để tăng EGR nội bộ và giảm mất mát do bơm Điều này cải thiện ô nhiễm khí xả và tính kinh

tế nhiên liệu Ngoài ra, cùng lúc đó thời điểm đóng xupap nạp được đẩy sớm lên để giảm hiện tượng quay ngược khí nạp lại đường nạp và cải thiện hiệu quả nạp

Khi tốc độ cao và tải nặng

Thời điểm phối khí được làm sớm lên và độ trùng lặp xupap tăng lên để tăng EGR nội bộ và giảm mất mát do bơm Điều này cải thiện ô nhiễm khí xả và tính kinh

tế nhiên liệu Ngoài ra, cùng lúc đó thời điểm đóng xupap nạp được đẩy sớm lên để giảm hiện tượng quay ngược khí nạp lại đường nạp và cải thiện hiệu quả nạp

2 Một số giải pháp điều khiển cụ thể:

2.1 Điều khiển pha phối khí

Hệ thống sử dụng một cơ

cấu căng đai hoặc xích cam

kiểu thủy lực để thay đổi sườn

căng đai, xích cam và làm

thay đổi thời điểm phối khí

Thay đổi sườn căng đai, xích cam

Hệ thống có một khớp dầu

lắp ở đầu trục cam, sử dụng áp

suất thủy lực để xoay trục cam

và làm thay đổi thời điểm phối

khí Điều này có thể làm tăng

công suất động cơ, cải thiện

tính kinh tế nhiên liệu và giảm

ô nhiễm môi trường Tức là

làm thay đổi đặc tính của động

cơ

Hệ thống VVT-I có thể

điều khiển góc phối khí của

xupap nạp thay đổi trong

phạm vi 50o so với góc quay

của trục khuỷu để đạt được

thời điểm phối khí thích hợp

cho từng chế độ của động cơ

Cơ cấu khớp dầu ở đầu trục cam

Một số kiểu điều khiển khác:

Một kiểu khác là sử dụng

một mô tơ điện truyền động

qua một bộ giảm tốc xycloit

để xoay trục cam, làm thay đổi

thời điểm phối khí

Cơ cấu điều khiển bằng mô tơ điện

2.2 Điều khiển hành trình xupap

Phương pháp thay đổi hành trình xupap thường kết hợp với cơ cấu thay đổi pha phối khí làm tăng hệ số nạp,tăng công suất động cơ mà không làm ảnh hưởng tới tính kinh tế nhiên liệu cũng như ô nhiễm khí xả Cách này cũng có một số kiểu, tùy theo hang

Dưới đây là một số kiểu tiêu biểu:

+ Hãng Toyota

Cơ cấu điều chỉnh hành trình xupap của Toyota gồm 2 vấu cam khác nhau cho xupap nạp mỗi xy lanh Một chốt thép được lắp ở cò mổ, có thể di chuyển tự do hoặc

bị hãm lại bởi một chốt hãm( chốt chèn), phụ thuộc vào việc điều khiển cấp dầu nhớt

để đẩy chốt hãm hoặc xả dầu nhớt để chốt hãm không chèn vào đáy chốt thép

Hình 2 Cơ cấu điều khiển hành trình xuppáp.

Cấu tạo

- Van điều khiển dầu cho VVTL-I: Van điều khiển dầu cho VVTL-I điều khiển áp

suất dầu cung cấp đến phía cam tốc độ cao của cơ cấu chuyển vấu cam

- Trục cam và cò mổ: Để thay đổi hành trình Xuppáp trục cam có hai loại vấu

cam, vấu cam tốc độ cao và vấu cam tốc độ thấp cho mỗi xylanh Cơ cấu chuyển vấu cam được lắp bên trong cò mổ giữa xup páp và vấu cam Áp suất dầu từ van điều khiển dầu của VVT-L đến lỗ dầu trong cò mổ, và áp suất này đẩy chốt hãm bên dưới chốt đệm Nó cố định chốt đệm và ấn khớp cam tốc độ cao Khi áp suất dầu ngừng tác dụng, chốt hãm được trả về bằng lực của lò xo và chốt đệm được tự do và có thể di chuyển tự do theo phương thẳng đứng, vấu cam tốc độ cao bị vô hiệu hóa

Hoạt động

Trục cam nạp và xả có các vấu cam với hai hành trình khác nhau cho từng xylanh, và ECU động cơ chuyển những vấu cam hoạt động bằng áp suất dầu

- Tốc độ thấp và trung bình (V đc < 6000v/p): Van điều khiển dầu mở phía xả Do

đó áp xuất dầu không tác dụng lên cơ cấu chuyển vấu cam Chốt hãm có thể chuyển động tịnh tiến theo phương thẳng đứng, vấu cam tốc độ cao bị vô hiệu hóa, xu páp được dẫn động bằng vấu cam tốc độ thấp và trung bình

Hình 3 Hoạt động tại tốc độ thấp

- Tốc độ cao(V đc > 6000v/p, nhiệt độ nước làm mát cao hơn 60 o c): Phía xả của

van điều khiển dầu được đóng lại, áp suất dầu tác dụng lên phía cam tốc độ cao của cơ cấu chuyển vấu cam Áp suất dầu ấn chốt hãm bên dưới chốt đệm và cò mổ giữ chốt đệm và cò mổ Cam tốc độ cao tác dụng cò mổ trước khi cam tốc độ thấp và trung bình tác dụng đến con lăn Lúc này xup páp được dẫn động bằng cam tốc độ cao

Hình 4 Hoạt động tại tốc độ cao.

Ở dải tốc độ thấp, thời gian mở xupáp được tối ưu hóa nhằm đạt được mômen xoắn cần thiết để xe có thể di chuyển tốt nhất ở vòng tua thấp, đồng thời tiết kiệm nhiên liệu.

Ở dải tốc độ cao, độ mở xupáp và thời gian mở xupáp được tăng lên, không khí được nạp vào nhiều hơn Hệ thống cung cấp cho xe khả năng di chuyển tốt ở tốc độ thấp và tăng hiệu suất động cơ khi tốc độ xe tăng lên

Qua nhiều năm phát triển, các động cơ của Honda đã sử dụng qua năm loại hệ thống VTEC khác nhau gồm: (1) VTEC có một trục cam đặt trên gọi là SOHC; (2) VTEC-E tiết kiệm nhiên liệu; (3) VTEC có hai trục cam đặt trên DOHC; (4) VTEC có xilanh không tải và (5) công nghệ i-VTEC thông minh Kết cấu của 5 modun trên khác nhau nhưng nói chung chúng giống nhau về mặt nguyên lý vì tất cả đều sử dụng loại

trục cam có vấu kép, một vấu dùng khi tốc độ thấp và một vấu dùng ở tốc độ cao Ở dải tốc độ thấp, các xupáp mở ít và thời gian mở ngắn lại do tốc độ của vấu cam giảm

Hiệu quả thực tế của công nghệ VTEC phụ thuộc vào điều kiện chạy xe và kiểu

xe Bộ điều khiển trung tâm ECM/PCM liên tục theo dõi sự thay đổi tình trạng hoạt động của động cơ như tải trọng, số vòng quay và tốc độ chạy xe Dựa vào các thông số đầu vào này, ECM/PCM sẽ xác định và tính toán để kích hoạt hoặc hủy bỏ chế độ VTEC

Khi tốc độ động cơ tăng lên, lượng không khí và nhiên liệu cần thiết cũng tăng lên Nếu các điều kiện như nhiệt độ nước làm mát động cơ, áp suất đường ống nạp, tốc

độ động cơ và tốc độ di chuyển của xe đạt đến một giá trị nào đó, hệ thống sẽ chuyển

từ vấu cam tốc độ thấp sang vấu cam tốc độ cao Nhờ vậy, độ mở xupáp và thời gian xupáp mở tăng lên

PCM/ECM điều khiển hoạt động của VTEC nhờ tín hiệu điện Khi PCM/ECM kích hoạt VTEC, công tắc áp suất dầu được bật lên, dầu qua van trượt theo đường ống dẫn đến tác động vào piston nối, piston này sẽ dịch chuyển sang phải để nối hai cụm

cò mổ lại với nhau, chuyển động đồng thời

Chúng ta hãy quan sát hình ảnh hoạt động của một hệ thống VTEC với một trục cam đặt trên, mỗi cụm cò mổ gồm hai cò mổ tốc độ thấp ở hai bên và một cò mổ tốc

độ cao ở giữa

Ở dải tốc độ thấp, các cò mổ tốc độ thấp và tốc độ cao chuyển động riêng rẽ Các xu páp mở ra ít và thời gian mở ngắn Ở dải tốc độ cao, PCM/ECM kích hoạt để VTEC hoạt động, các piston nối dưới tác động của dầu thủy lực sẽ di chuyển để nối các cò mổ tốc độ thấp và tốc độ cao với nhau thành mối khối Lúc này, các xu páp mở

ra nhiều hơn và thời gian mở tăng lên Không khí được nạp vào nhiều hơn, công suất động cơ tăng lên nhanh chóng Hình ảnh động dưới đây sẽ giúp các bạn dễ hình dung hơn hoạt động của một hệ thống VTEC kiểu SOHC

+ Hãng Mitsubishi.

MIVEC (Mitsubishi Innovative Valve timing Electronic Control system) là tên viết tắt của công nghệ động cơ với xupáp nạp biến thiên được phá triển bởi hãng Mitsubishi Cũng tương tự như các hệ thống với xupáp nạp biến thiên được đề cập kỳ trước, hệ thống này cũng có khả năng thay đổi hành trình hoặc thời gian đóng mở các xupáp bằng cách sử dụng hai loại vấu cam khác nhau Ở dải tốc độ thấp, vấu cam nhỏ dẫn động các xupáp, động cơ hoạt động ở trạng thái không tải ổn định, lượng khí thải giảm và mômen xoắn tăng lên ở tốc độ thấp Khi vấu cam lớn được kích hoạt, tốc độ tăng lên, các xupáp được mở rộng hơn và thời gian mở xupáp tăng lên Bởi vậy làm tăng lượng khí nạp trong buồng cháy, công suất và mômen xoắn tăng, dải tốc độ động

cơ được mở rộng

Động cơ 4G92 đầu tiên của Mitsubishi sử dụng công nghệ MIVEC

MIVEC được Mitsubishi giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1992 trên động cơ 4G92, dung tích 1597 cc, DOHC không tăng áp, 4 xilanh thẳng hàng, mỗi xilanh gồm hai xupáp nạp và hai xupáp xả Thế hệ công nghệ này ra đời với tên gọi “Mitsubishi

Innovative Valve timing and lift Electronic Control” Chiếc xe đầu tiên sử dụng công

nghệ này là chiếc hatchback Mitsubishi Mirage và chiếc sedan Mitsubishi Lancer Trong khi một động cơ 4G92 thông thường sinh ra công suất 145 mã lực ở tốc độ 7000 vòng/phút thì một động cơ được trang bị công nghệ MIVEC có thể sinh ra tới 175 mã lực ở vòng tua 7500 vòng/phút Một số các cải tiến về công nghệ khác cũng được ứng dụng khi công nghệ này được áp dụng rộng rãi vào năm 1994 trên xe Mitsubishi FTO Mặc dù vậy các thiết kế mới nhằm nâng cao hiệu suất vẫn phải đảm bảo tính tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm khí thải ở dòng xe Mitsubishi

Chiếc Mitsubishi Grandis sử dụng công nghệ MIVEC

Hoạt động.

Nhằm tối ưu hiệu suất động cơ ở giải tốc độ thấp và trung bình, mặt khác lại nâng cao công suất ở vòng tua cao, hệ thống MIVEC đạt được cả hai mục tiêu trên nhờ

chủ động điều khiển cả thời điểm và khoảng thời gian đóng mở xupáp Hệ thống MIVEC điều khiển hoán đổi các vấu cam có cùng chức năng Một số các loại xe đua thể thao đã áp dụng biện pháp công nghệ này nhằm mục đích sinh ra nhiều công suất hơn Việc chuyển đổi vấu cam được thực hiện một cách tự động nhờ các ECU của hệ thống MIVEC, dựa trên các tín hiệu đầu vào như tốc độ động cơ, số vòng quay trục khuỷu, nhiệt độ nước làm mát, độ mở bướm ga,…ECU sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển để kích hoạt hoạt hoặc hủy chế độ MIVEC.

Hai cam có hai biên dạng khác nhau được sử dụng ở hai chế độ khác nhau của động cơ: một cam có biên dạng nhỏ, dùng ở dải tốc độ thấp mà ta gọi tắt là cam tốc độ thấp và vấu cam còn lại có biên dạng lớn hơn, dùng ở dải tốc độ cao gọi tắt là cam tốc

độ cao Các vấu cam tốc độ thấp và các trục cò mổ, dẫn động các xupáp nạp, đặt đối xứng nhau qua cam tốc độ cao ở giữa Mỗi xupáp nạp được dẫn động bởi một cam tốc

độ thấp và trục cò mổ Để chuyển sang cam tốc độ cao, một tay đòn chữ T được ép vào các khe ở đỉnh trục cò mổ của cam tốc độ thấp Điều này cho phép các cam tốc độ cao dịch chuyển cùng với cam tốc độ thấp Lúc này các xupáp thay đổi hành trình khi được dẫn động bởi cam tốc độ cao

Ở dải tốc độ thấp, tay đòn chữ T trượt ra khỏi khe một cách tự do, cho phép các cam tốc độ thấp dẫn động các xupáp Ở dải tốc độ cao, áp suất thủy lực đẩy piston thủy lực lên, bởi vậy tay đòn chữ T lại trượt vào các khe cò mổ để chuyển sang vận hành với các cam tốc độ cao

Nói chung, chế độ MIVEC được kích hoạt để chuyển sang vấu cam tốc độ cao khi tốc độ động cơ tăng và chuyển sang vấu cam tốc độ thấp khi tốc độ động cơ giảm

Ở dải tốc độ thấp, thời gian đóng mở các xu páp nạp và xả trùng nhau tăng để tăng sự

ổn định ở chế độ không tải Khi tăng tốc, thời điểm xupáp nạp đóng được làm chậm lại

để giảm áp lực ngược đồng thời cải thiện hiệu suất khí nạp, giúp tăng công suất động

cơ cũng như giảm hệ số ma sát

Hệ thống MIVEC điều khiển bốn chế độ vận hành tối ưu của động cơ như sau:

• Trong hầu hết các điều kiện làm việc, để đảm bảo hiệu suất nhiên liệu cao nhất, thời gian đóng xupáp trùng nhau tăng lên để giảm tổn thất bơm Thời điểm xupáp xả mở được làm chậm lại để tăng tỷ số nén, tăng tính kinh tế của nhiên liệu.

• Khi cần công suất cực đại (tốc độ và tải trọng cao), thời điểm đóng xupáp nạp được làm chậm lại để đồng nhất hóa không khí nạp với thể tích nạp là lớn nhất

• Ở dải tốc độ thấp và tải nặng, MIVEC đảm bảo tối ưu mômen xoắn do thời điểm xupáp nạp đóng được làm sớm hơn để đảm bảo đủ lượng khí nạp Cùng lúc đó, thời điểm xupáp xả mở được làm chậm lại để tăng tỷ số nén và cải thiện hiệu suất động cơ

• Ở chế độ không tải, thời điểm xupáp xả và nạp trùng nhau được loại bỏ để ổn định quá trình cháy

+ Hãng Nissan

Hãng Nissan có cơ cấu điều khiển hành trình xupap khá phức tạp Một cơ cấu liên động gồm: cam điều khiển, trục điều khiển, cam trong, cam ngoài, trục dẫn động, đòn lốt A, đòn lốt B … được liên kết với cụm đai ốc vít Đai ốc được lắp với trục vít của một mô tơ điện một chiều Bằng cách điều khiển hoạt động của mô tơ điện, quay tiến hoặc quay lùi, cơ câu liên động sẽ đẩy con đội của xupap với các mức thay đổi hành trình xupap khác nhau

Việc sử dụng hệ thống VVEL (Variable valve event and lift) sẽ góp phần giảm 10% lượng nhiên liệu tiêu thụ và 10% lượng khí thải cacbondioxit gây ô nhiễm môi trường Hãng Nissan dự định sẽ lắp đặt cho các mẫu xe của hãng trong thời gian tới

Các bộ phận chính của hệ thống VVEL gồm có: cò mổ (Rocker arm), hai khớp nối (LinkA & LinkB), vấu cam (output cam), trục cam (drive shaft), trục điều khiển (control shaft)… Quá trình đóng mở xupap nạp được thực hiện bằng cách biến chuyển động quay của động cơ điện một chiều, thông qua trục dẫn động, cam lệch tâm, trục cam và các vấu cam thành chuyển động đóng mở của xupap Chuyển động của vấu cam được thay đổi bằng cách thay đổi tốc độ của động cơ điện một chiều, hoặc thay đổi điểm tiếp xúc của thanh nối và con đội xupap Chính điều này giúp cho việc điều khiển đóng mở xupap đạt được độ chính xác cao.

Đối với các động cơ truyền thống, việc điều chỉnh lưu lượng khí nạp được thực hiện ở bướm ga thì đối với động cơ VVEL, việc điều chỉnh lưu lượng khí nạp đi vào trong xi lanh được thực hiện bằng cách điều khiển trực tiếp đóng mở xupap nạp, kết hợp hệ thống VVEL với hệ thống điều khiển thời điểm đóng mở xupap C-CTV (continuos valve timing control) để điều chỉnh pha phân phối khí, giúp nâng cao hiệu quả của quá trình nạp và xả, đem lại những hiệu quả nổi bật so với động cơ không có

hệ thống VVEL như sau:

- Nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu: ở tốc độ thấp và trung bình, hệ thống VVEL sẽ điều khiển dòng khí nạp tại xupap nạp ngay trước buồng cháy, nó trái ngược hẳn với các động cơ trước đây điều chỉnh dòng khí nạp tại bướm ga Nhờ đó, dòng khí nạp đi vào bên trong xilanh dễ dàng hơn, giúp cải thiện hiệu quả của quá trình nạp Mặt khác, khi động cơ ở tốc độ thấp hay trung bình, xupap mở nhỏ và được giữ, nhờ

đó giảm ma sát, giảm độ mài mòn cho trục cam, đồng thời nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu

- Tăng cường khả năng tăng tốc: với việc điều khiển dòng khí nạp ngay tại xupap nạp, làm tăng lượng khí nạp vào bên trong xilanh ngay từ khi bắt đầu của quá trình tăng tốc, khiến cho quá trình tăng tốc diễn ra nhanh hơn

- Tăng công suất động cơ: ở số vòng quay động cơ thấp, độ mở xupap nhỏ làm giảm hiện tượng dội ngược lại của hỗn hợp nhiên liệu và không khí, giúp tăng công suất động cơ Khi số vòng quay động cơ tăng cao, độ mở xupap lớn làm tăng lượng khí nạp, giúp tăng công suất đầu ra của động cơ

- Bảo vệ môi trường tốt hơn: thời gian đóng mở xupap nạp được tối ưu hoá ngay từ khi khởi động Khi động cơ còn lạnh thì sản phẩm cháy vẫn “sạch” nhờ lượng nhiên liệu được cấp phù hợp, khi động cơ làm việc ở tốc độ thấp hoặc trung bình,