Bài giảng cơ cấu phân phối khí điều khiển điện tử

Bài giảng Cơ cấu phân phối khí điều khiển điện tử được biên soạn nhằm giúp các bạn nắm được những kiến thức về: . giới thiệu chung về cơ cấu phân phối khí trên động cơ đốt trong, cơ cấu phân phối khí thông minh, hệ thống phân phối khí Vtec của honda. Chúng tôi hy vọng,bài giảng này sẽ là một tài liệu quý giúp ích cho các bạn sinh viên,thầy cô giáo chuyên nghành kỹ thuật

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN QUANG TRUNG

BÀI GIẢNG

CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ

Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ

TRÊN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Trên động cơ đốt trong dùng các loại cơ cấu phân phối khí sau:

1 Cơ cấu phân phối khí dùng xupap: Dùng xupap đóng mở cửa nạp và

xả Có 2 loại:

+ Cơ cấu dùng xupap đặt

+ Cơ cấu dùng xupap treo

1: bánh răng cam; 2: mấu cam; 3: bạc lót; 4:xupap;5: ống dẫn hướng ; 6: đũa

đẩy; 7: cò mổ; 8: đĩa chặn lò xo

2 Cơ cấu phối khí kiểu van trượt: Đa số sử dụng trên động cơ 2 kỳ, piston đóng vai trị như một van trượt điều khiển đóng mở cửa nạp và cửa thải

3 Cơ cấu phân phối khí kiểu phối hợp: Kết hợp 2 kiểu trên, vừa có xupap, vừa có van trượt thường được sử dụng trên động cơ Diesel 2 kỳ, động

cơ 2 kỳ quét thẳng

1.2 Yêu cầu

- Đóng mở xupap đúng thời gian quy định và đảm bảo độ kín khít

- Độ mở đủ lớn để dòng khí lưu thông

- Làm việc êm dịu, tuồi thọ và độ tin cậy cao

- Thuận tiện trong việc bảo dưỡng, sửa chữa động cơ và giá thành chế tạo hợp lý

1.3 Các phương án bố trí xupap và dẫn động cơ cấu phối khí

Các động cơ đốt trong dùng cơ cấu phối khí kiểu xupap hiện nay đều

bố trí xupap theo hai cách: Bố trí xupap đặt và bố trí xupap treo

1 Bố trí xupap đặt:

Cơ cấu phân phối khí loại xupap đặt có xupap đặt bên hông động cơ, cơ cấu gồm các bộ phận sau: trục cam, con đội, đế tựa, lị xo, bạc dẫn hướng, xupap, vít điều chỉnh và cơ cấu truyền động

Cơ cấu phối khí dùng xupap đặt thường dùng trên động cơ xăng có tỷ

số nén thấp và số vòng quay không lớn

* Ưu điểm:

- Giảm được chiều cao động cơ

- Kết cấu nắp xylanh đơn giản và dẫn động xupap cũng dễ dàng

Có hai phương pháp dẫn động xupap:

- Kiểu OHV: Trục cam bố trí trên thân my

- Kiểu OHC: Trục cam bố trí trên nắp my

* Kiểu OHV (overhead valve)

* Ưu điểm:

- Buồng cháy gọn

- Diện tích bề mặt truyền nhiệt nhỏ nên làm giảm tổn thất nhiệt

- Đối với động cơ xăng khi dùng cơ cấu này có thể tăng tỷ số nén

từ 0.5 – 2 so với xupap đặt

- Đường nạp và đường thải thoáng, tăng được hệ số nạp

* Nhược điểm:

- Dẫn động xupap phức tạp, làm tăng chiều cao động cơ

- Làm cho kết cấu nắp máy phức tạp, gây khó khăn cho việc gia cơng chế tạo

- Diện tích truyền nhiệt lớn nên tính kinh tế của động cơ kém (tiêu hao nhiên liệu, giảm hệ số nạp,…)

3 Dẫn động xupap

Trục cam có thể bố trí trên nắp máy hoặc ở hộp trục khuỷu để dẫn động trực tiếp hay gián tiếp xupap Số trục cam trên nắp máy có thể là một hoặc hai trục cam.

* Nhược điểm: Khi khoảng cách giữa

trục cam và trục khuỷu lớn phải dùng thêm

các bánh răng trung gian, điều này làm cồng

kềnh và phức tạp

b Dẫn động bằng xích: Khi trục khuỷu v trục cam đặt xa nhau

* Ưu điểm: Dùng cho các trục có khoảng cách lớn

* Nhược điểm:

- Giá thành xích cao hơn so với bánh răng

- Gây tiếng ồn khi làm việc

- Dễ bị sai lệch pha phối khí

- Để cho xích luôn được căng phải dùng cơ cấu căng xích

c Dẫn động trục cam bằng trục: Khi trục cam và trục khuỷu đặt xa nhau thì có thể dùng trục trung gian để dẫn động

d Dẫn động trục cam bằng đai răng:

Đa số các động cơ hiện nay sử dụng cách này Ưu điểm lớn nhất của cơ cấu này là truyền động êm dịu, đai có tuổi thọ lớn không cần bảo dưỡng, giá thành thấp hơn xích.

1.4 Kết cấu các chi tiết chính của cấu phân phối khí

1.4.1 Xupap

a Công dụng, điều kiện làm việc, vật liệu chế tạo

* Công dụng: Xupap có nhiệm vụ đóng và mở các lổ nạp và thải theo đúng thời điểm làm việc của động cơ

* Điều kiện làm việc: Chịu nén, kéo do tác dụng của áp suất môi chất trong buồng cháy, lực kéo của lò xo và lực mở của đòn mở hoặc cam; đồng thời chịu ăn mòn của khí cháy và mài mòn

* Vật liệu chế tạo: Thép hợp kim

Mỗi xylanh động cơ có ít nhất hai xupap, một xupap nạp dùng mở cửa nạp và một xupap thải dùng mở cửa thải

b Cấu tạo:

Xupap được chia làm 3 phần: nấm, thân và đuôi xupap Nấm xupap

dạng hình nón cụt, bề mặt xupap dùng để làm kín Góc nghiêng xupap là 450, đôi khi 300 hoặc 600 khi góc nghiên càng bé thì tiết diện mở càng lớn nhưng

độ cứng vững của xupap càng giảm Đường kính nấm xupap nạp thường lớn hơn xupap thải

Thân xupap chuyển động trong ống dẫn hướng, thân xupap có dạng hình trụ, khe hở lắp ghép giữ xupap và ống dẫn hướng phải lớn Để đảm bảo

sự chuyển động chính xác của xupap và ngăn ngừa nhớt vào buồng đốt, cũng như khí cháy vào buồng đốt làm hỏng dầu bôi trơn

Đuôi xupap nhận lực tác động từ cò mổ hoặc con đội, ngoài ra nó còn dùng để giữ lò xo xupap.

1.4.2 Đế xupáp:

Đế xupap được ép chặt vào nắp máy, khi xupap đóng bề mặt của nấm xupap ép chặt vào bề mặt của đế để làm kín Đế xupap còn có tác dụng truyền nhiệt từ đầu xupap ra nắp máy

Góc lệch của đế xupap được chế tạo lệch so với bề mặt xupap từ ½ đến

1o Vết tiếp xúc giữa bệ và bề mặt xupap từ 1,2 đến 1,3 mm

Có loại đế xupap là một chi tiết rời được lắp chặt vào nắp máy (loại này được sử dụng phổ biến hiện nay) và có loại được đúc liền với nắp máy

1.4.3 Lò xo:

Lò xo đảm bảo cho xupap chuyển động theo đúng quy luật khi động cơ hoạt động Móng hãm được đặt vào đế trên và lồng vào rãnh đuôi xupap để đảm bảo đuôi xupap đóng kín với một lực ép ban đầu của lò xo

Đa số xupap dùng một lò xo, một số động cơ người ta dùng hai lò xo cho một xupap Để tránh lò xo bị gãy do cộng hưởng ở số vòng quay cao, người ta chế tạo lò xo xupap có bước thay đổi Lực đàn hồi của lò xo xupap phải đủ lớn để giữ cho xupap làm việc chính xác Nếu lực đàn hồi quá lớn sẽ làm cho các chi tiết mau mòn

Ở một số động cơ, cơ cấu xoay xupap thay thế cho đế chặn lò xo Cơ cấu này làm cho xupap xoay để đảm bảo xupap đóng kín trên bệ do muội than hoặc chì bám trên bề mặt tiếp xúc

1.4.4 Đĩa lò xo:

Đĩa lò xo kết hợp với móng hãm có tác dụng giữ cho lò xo không bị văng ra ngoài và đảm bảo xupap đóng kín khi động cơ hoạt động

Thức tế cho thấy phần nhiều xupap cháy do hở vì muội than bám trên mặt vát của xupap, khí cháy lọt qua khoét lõm dần dần Để hạn chế hỏng hóc của động cơ do xupap gây ra, ở một số động cơ xupap được trang bị thêm cơ cấu xoay Cơ cấu này làm cho xupap xoay được một góc độ quanh trục của nó.

Khi xoay xupap sẽ quét bay muội than bám trên đế hoặc mặt vát của

nó, thân xupap và ống dẫn hướng mòn đều, giảm bớt kẹt treo xupap

Có 2 loại cơ cấu xoay xupap:

* Xupap tự xoay: Đuôi xupap được giữ trong đế lò xo nhờ móng hãm

tựa vào vai dưới đuôi xupap Đế chụp dưới đuôi xupap và tựa lên vít điều chỉnh của con đội Khi con đội đi lên đội đế chụp, móng hãm và đế lò xo xupap chịu lực đè của lò xo Đuôi xupap không còn bị kẹt cứng trong đế lò xo nữa mà đứng tự do trong đế chụp nên nó sẽ tự quay theo chân rung của động

cơ đang nổ

* Xupap xoay bắt buộc: Vành bọc A bao quanh bộ lò xo B lò xo tựa

lên vành bọc A, loongden đàn hồi C nằm trong vành bọc A và tựa lên các viên

bi D và các lò xo nhỏ F bi D và các lò xo bật về F bố trí trong các khoang đái dốc của đế B khi con đội đi lên, vít B nâng xupap và tác động lên vành A làm cho long đền C ấn vào các viên bi D tụt lăn xuống đáy nghiêng Ecủa khoang chứa đế B chính nhờ các động tác này của các viên bi B buộc xupap phải xoay một góc độ Sau khi xupap đóng các lò xo F lại bật các viên bi D về vị trí cũ chuẩn bị xoay xupap cho lần mở kế tiếp

Chương 2 CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ THÔNG MINH

2.1 Pha phân phối khí

Động cơ H6 của Porsche được áp dụng công nghệ điều khiển pha phối khí thông minh để giảm mức tiêu thụ nhiên liệu, nồng độ khí thải và tăng khả

năng tăng tốc của xe

Chức năng chính của cơ cấu phối khí (CCPK) là điều khiển quá trình nạp đầy hỗn hợp (hoặc không khí mới) vào xy-lanh và thải sạch khí thải ra khỏi xy-lanh Hai thông số chính có ảnh hưởng quyết định đến chất lượng của quá trình nạp đầy và thải sạch là pha phân phối khí và tiết diện lưu thông của hỗn hợp khí

Pha phân phối khí được hiểu là các giai đoạn từ lúc mở đến lúc đóng xu-páp tính bằng góc quay trục khuỷu, còn tiết diện lưu thông của hỗn hợp khí đi qua một xu-páp là diện tích hình vành khăn được tạo bởi họng đế xu-páp và phần đế của xu-páp khi xu-páp đó mở

Trên các loại động cơ thông thường, tiết diện lưu thông của hỗn hợp khí luôn tuân theo một quy luật không đổi ở tất cả các chế độ làm việc khác

nhau của động cơ Vì vậy ở một số chế độ (tải nhỏ, tăng tốc, toàn tải,…) thời gian đóng mở xu-páp không hoàn toàn hợp lý, lượng nhiên liệu cung cấp cũng chưa phù hợp với chế độ làm việc của động cơ gây tổn hao nhiên liệu và mất mát công suất Chính vì vậy, hệ thống điều khiển pha phối khí thông minh (HTĐKPPKTM) ra đời đã khắc phục được các nhược điểm trên.

Những cải tiến của cơ cấu phối khí đều căn cứ vào sơ đồ pha phân phối khí này

a) Pha phân phối khí ở chế độ tải nhỏ:

Trường hợp khi tải nhỏ, động cơ hoạt động ở vòng quay thấp và trung bình Thời điểm phối khí của trục cam nạp được làm trễ lại do đó góc trùng điệp xu-páp được tăng lên, lượng khí thải sẽ dễ dàng thoát ra khỏi xy-lanh, mặt khác thời gian các xu-páp nạp mở cũng được rút ngắn để ngăn hỗn hợp nhiên liệu - không khí chảy ngược lại đường ống nạp

Xu-páp nạp cũng được mở ra ít hơn Điều này giúp cho động cơ làm việc

ổn định và giảm lượng tiêu hao nhiên liệu không cần thiết của động cơ mà vẫn đảm bảo xe có thể di chuyển tốt ở số vòng quay thấp Đồng thời xu-páp nạp được mở ít sẽ làm giảm ma sát mài mòn của trục cam và lượng hydrocacbon trong khí xả được giảm đi ở dải tốc độ thấp và trung bình

b) Pha phân phối khí ở chế độ tăng tốc:

Trường hợp khi tăng tốc, lượng khí nạp

vào trong xy-lanh sẽ được gia tăng từ khi

bắt đầu tăng tốc Tức là xu-páp nạp sẽ

được mở sớm với tiết diện lưu thông lớn

Xu-páp thải cũng được mở sớm hơn để

đẩy lượng khí thải ra khỏi động cơ và làm

tăng mật độ của lượng hỗn hợp khí nạp

vào

c) Pha phân phối khí ở chế độ tải lớn và

tốc độ cao:

Trường hợp khi tải lớn và động cơ hoạt động

ở số vòng quay cao Thời điểm phối khí được

làm sớm lên do đó khoảng trùng điệp của

xu-páp nạp và xu-xu-páp thải giảm đi, thời gian mở

của xu-páp nạp được kéo dài, tăng lượng

nhiên liệu nạp vào xy-lanh và tạo thành áp

suất cao trong buồng đốt do đó làm tăng

mô-men xoắn của động cơ Ngoài ra, thời điểm

đóng xu-páp nạp được đẩy sớm lên để giảm

hiện tượng quay ngược khí nạp lại đường nạp

và cải thiện hiệu quả nạp

d) Pha phân phối khí tạo hồi lưu khí thải:

Khí thải trên đường thải sẽ quay trở lại

đường nạp (Nội tuần hoàn khí thải) nếu mở

sớm xupáp nạp và đóng muộn xupáp thải

(xupáp nạp và xupáp thải đều mở) Ưu điểm

của nội tuần hoàn khí thải so với ngoại tuần

hoàn là tăng tính phản ứng và phân bố đồng

đều

2.2 Cấu tạo của cơ cấu phân phối khí thông minh

Một CCPK thông thường có cấu tạo gồm các chi tiết chính là trục cam,

cò mổ, xu-páp và hệ thống dẫn động Đối với CCPPKTM, cấu tạo của nó rất

đa dạng và phong phú, bên cạnh những cải tiến công nghệ dựa trên cơ cấu truyền thống, đã có rất nhiều kết cấu mới ra đời

a) Hệ thống EMVT không sử dụng trục cam, cò mổ và hệ thống dẫn động Việc đóng mở xu-páp nhờ lực lò xo và các van điện từ tác dụng hai chiều, pha phân phối khí và độ mở của xu-páp được xây dựng dựa trên một chương trình được lập trình định sẵn Thông qua các cảm biến để xác định chế độ làm việc của động cơ, từ đó lựa chọn các biện pháp điều khiển phù hợp

Ưu điểm của phương án này là kết cấu nhỏ gọn, hạn chế tối đa mất mát năng lượng do dẫn động cơ khí, tuy nhiên nhược điểm của nó chính là tiêu hao điện năng lớn Bộ điều khiển và chương trình phức tạp

b) Hệ thống sử dụng trục cam với một loại vấu cam, bổ sung và thay đổi các chi tiết của hệ thống dẫn động (VANOS - Variable nockenwellen steuerung của BMW), cấu tạo của cơ cấu phân phối khí loại này thường sử dụng kết hợp với các bộ truyền cơ khí như cò mổ trung gian, trục lệch tâm, bộ truyền bánh răng, trục vít bánh vít,…

c) Hệ thống có bố trí hai loại vấu cam trên trục cam với 2 biên dạng khác nhau thường được gọi là vấu cam tốc độ thấp và vấu cam tốc độ cao (VTEC - Variable Vale Timing and Lift Electronic Control của HONDA, VVTL-i - Variable Vale Timing – intelligent của TOYOTA hay VVEL - Variable Valve Event and Lift của Nissan) Tùy theo điều kiện làm việc cụ thể của động cơ

mà sử dụng loại vấu cam phù hợp

Cơ cấu loại này thường được kết hợp với các van điều khiển và bộ chấp hành thủy lực để xoay trục cam trong một phạm vi nhất định so với góc quay của trục khuỷu để đạt được thời điểm phối khí tối ưu cho các điều kiện hoạt động của động cơ dựa trên tín hiệu từ các cảm biến và tín hiệu điều khiển từ ECU

d) Hệ thống có bố trí trên trục cam với 3 biên dạng cam kích thước khác nhau (MIVEC - Mitsubishi innovative Valve timing Electronic Control System của Misubishi và VARIO CAM PLUS của hãng PORSCHE) Biên dạng cam lớn nhất đặt ở giữa và hai biên dạng cam nhỏ và trung bình đặt ở hai bên

Mặc dù có 3 biên dạng cam như vậy nhưng chỉ tạo ra 2 chế độ động cơ:

Tất cả các hệ thống điều khiển pha phối khí thông minh đều nhằm mục đích

nạp đầy hỗn hợp cháy và thải sạch khí thải

2.3 Ưu điểm của HTĐKPPKTM

- Nâng cao tính kinh tế nhiên liệu Quá trình phân phối khí được tính toán và điều khiển một cách tối ưu theo chế độ hoạt động của ôtô Lượng hỗn hợp khí được đưa vào xy-lanh rất phù hợp, đảm bảo nhiên liệu được nạp đầy và thải sạch, hạn chế tối đa lượng nhiên liệu dư thừa quay trở lại đường nạp cũng như khí sót thải ra môi trường

- Tăng cường khả năng tăng tốc Hệ thống có khả năng thích ứng và phản ứng nhanh với điều kiện hoạt động của động cơ, cung cấp nhanh chóng lượng khí nạp có mật độ cao giúp cho quá trình tăng tốc diễn ra nhanh hơn

- Tăng công suất động cơ Khi động cơ cần công suất lớn, xu-páp nạp được điều chỉnh mở sớm hơn và lớn hơn làm tăng lượng khí nạp, giúp tăng công suất đầu ra của động cơ Đồng thời xu-páp thải cũng được điều khiển để mở sớm nhằm thải sạch khí thải, tăng thêm mật độ của khí nạp

- Giảm lượng khí xả độc hại Thời gian đóng mở xu-páp nạp được tối ưu hoá ngay từ khi khởi động, lượng nhiên liệu được cung cấp phù hợp cho các quá trình hoạt động với số vòng quay trung bình, vòng quay lớn, quá trình tăng tốc, tải lớn,… cho nên sản phẩm cháy “sạch” hơn so với động cơ thông thường, lượng khí cacbondioxit được giảm xuống nhờ hỗn hợp cháy hoàn toàn, giảm lượng khí độc (CO2, NO, HC) thải ra môi trường

2.4 Cấu tạo cơ bản hệ thống thay đổi pha phân phối khí thông minh

a) Bộ điều khiển (fluted variator)

Bộ điều khiển để điều chỉnh trục cam nạp được lắp đặt trực tiếp trên đầu trục cam Nó điều chỉnh trục cam nạp theo tín hiệu từ bộ điều khiển điện tử của động cơ Bộ điều khiển để điều chỉnh trục cam xả được lắp trực tiếp trên đầu trục cam xả Nó điều chỉnh trục cam xả theo tín hiệu

từ bộ điều khiển động cơ Cả hai bộ điều khiển là thủy lực hoạt động và được kết nối với hệ thống dầu động cơ thông qua các hộp điều khiển điện tử.

b) Hộp điều khiển (control housing)

Hộp điều khiển được gắn trên nắp máy nó chứa cả các đường dầu và bộ điều khiển

c) Van diện từ (solenoid valves)

Hoạt động của hệ thống thể hiện ở hình sau đây:

Chương 3 HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÍ VTEC CỦA HONDA 3.1 Introduction

VTEC (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control) is a valve train system developed by Honda to improve the volumetric efficiency of a

four-stroke internal combustion engine This system uses two camshaft profiles and electronically selects between the profiles This was the first system of its kind Different types of variable valve timing and lift control systems have also been produced by other manufacturers (MIVEC from Mitsubishi, VVTL-i from Toyota,VarioCam Plus from Porsche, VVL from

Nissan, etc.) It was invented by Honda R&D engineer Ikuo Kajitani It can be said that VTEC, the original Honda variable valve control system, originated from REV (Revolution-modulated valve control) introduced on the CBR400

in 1983 known as HYPER VTEC In the regular four-stroke automobile engine, the intake and exhaust valves are actuated by lobes on a camshaft The shape of the lobes determines the timing, lift and duration of each valve Timing refers to an angle measurement of when a valve is opened or closed with respect to the piston position (BTDC or ATDC) Lift refers to how much the valve is opened Duration refers to how long the valve is kept open Due

to the behavior of the working fluid (air and fuel mixture) before and after combustion, which have physical limitations on their flow, as well as their interaction with the ignition spark, the optimal valve timing, lift and duration settings under low RPM engine operations are very different from those under high RPM Optimal low RPM valve timing, lift and duration settings would result in insufficient filling of the cylinder with fuel and air at high RPM, thus greatly limiting engine power output Conversely, optimal high RPM valve timing, lift and duration settings would result in very rough low RPM operation and difficult idling The ideal engine would have fully variable valve timing, lift and duration, in which the valves would always open at exactly the right point, lift high enough and stay open just the right amount of time for the engine speed in use

VTEC was initially designed to increase the power output of an engine

to 100 PS/liter or more while maintaining practicality for use in mass production vehicles Some later variations of the system were designed solely

to provide improvements in fuel efficiency, or increased power output as well

as improved fuel efficiency In practice, a fully variable valve timing engine is difficult to design and implement

VTEC: VTEC is one of Honda's greatest invention Though an undisputed

expert in turbocharging as evidenced by years of Formula-1 domination while

Honda was active in the sport, Honda's engineers feels that turbocharging has disadvantages, primarily bad fuel economy, that made it not totally suitable for street use At the same time, the advantages of working with smaller engines meant that smaller capacity engines with as high power output as possible (ie very high specific-output engines) are desirable for street engines

Thus Honda invented VTEC which allows it to extract turbo level specific output from its engines without having to suffer from the disadvantages of turbocharging (though VTEC introduces disadvantages of its own)

The Temple of VTEC is specifically created by Jeff Palmer as a dedication to this great technology and the Temple of VTEC Asia is dedicated

to the home of VTEC -and of Honda, Japan and the region of Asia

In this permanent feature, we will examine the basic mechanism that make up the VTEC technology as well as the various implementations of VTEC

The VTEC system has been around since 1989, and was first introduced on a 1.6 litre dual over-head cam (DOHC) engine in a Honda Integra These engines have a separate camshaft for the intake and exhaust cam, and the VTEC changes the profile of both camshafts at the same time

Later, Honda started introducing VTEC also in single cam (SOHC) engines (i.e with a single camshaft for both intake and exhaust) The downside of this is that the VTEC system on these engines only work on the

intake valves

3.2 The Basic VTEC Mechanism

The basic mechanism used by the VTEC technology is a simple

hydraulically actuated pin This pin is hydraulically pushed horizontally to link

up adjacent rocker arms A spring mechanism is used to return the pin back to

its original position