đồ án hệ thống phân phối khí

1.1 Nhiệm vụ, yêu cầu, phân loại 1.1.2 Yêu cầu Đóng mở các xupap đúng lúc, đúng thì, đúng thứ tự hoạt động của động cơ, đóng kín các của nạp và cửa thải trong kỳ nén, cháy và giãn nở Đảm bảo việc nạp đầy nghĩa là hệ số nạp phải lớn và việc xả sạch nghĩa là hệ số khí sót phải nhỏ. Đảm bảo trị số “thời gian tiết diện” thông qua phải lớn để dòng khí dễ lưu thông Làm việc êm dịu, độ tin cậy và tuổi thọ cao, thuận tiện trong việc chế tạo, bảo dưỡng, sửa chữa. 1.1.3 Phân loại Hệ thống phân phối khí dùng cam và xupap được dùng phổ biến trên ĐCDT do kết cấu đơn giản và dễ dàng điều chỉnh. Loại này lại được phân ra nhiều loại: • Kiểu xupap treo: dùng phổ biến trên các động cơ hiện đại  Loại OHV (OverHead Valve): trục cam đạt dưới thân máy, xupap bố trí trên nắp máy và được điều khiển qua con đội, đũa đẩy và cò mổ  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 xupap hoặc thông qua cò mổ. • Kiểu xupap đặt: ngày nay ít được sử dụng nên không đề cập trong đề tài Hệ thống phân phối khí dùng pittông đóng mở các cửa nạp và cửa thải thường được dùng trên động cơ 2 kỳ, có ưu điểm kết cấu đơn giản không phải điều chỉnh sửa

Chương 3 : HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÍ THÔNG MINH TRÊN XE HONDA

3.1 Giới thiệu và phân loại

Hệ thống điều khiển xupap biến thiên của hãng HONDA mang tên công nghệ

VTEC ( Variable Valve Timing and Lift Electronic Control System ) do Ikuo Kajtani

phát minh VTEC có những đặc trưng kỹ thuật mà có thể thay đổi thời gian mở xupap

và độ nâng của xupap phụ thuộc vào các thông số tốc độ động cơ, tốc độ di chuyển của

xe, nhiệt độ nước làm mát và tải động cơ Khả năng này làm cho đặc tính sự cháy cóthể đáp ứng được các điều kiện hoạt động của động cơ, vì vậy vừa tiết kiệm nhiên liệuvừa đạt được hiệu suất cao và giảm thiểu khí thải gây ô nhiễm môi trường

Mỗi xupap trong động cơ được điều khiển bởi một số vấu cam với biên dạngriêng biệt Tất cả các cam đó đều được lắp đặt trên một trục cam và hệ thống điềukhiển điện tử điều khiển hoạt động của chúng dựa trên các điều kiện hoạt động củađộng cơ bằng cách dùng áp suất thủy lực Tùy theo điều kiện làm việc cụ thể của động

cơ mà sử dụng loại vấu cam phù hợp

Hình 3.1 Cấu tạo các vấu cam

Ở dải tốc độ thấp, biên dạng cam tốc độ thấp được sử dụng, thời gian mở xupapđược 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, biên dạng cam tốc độ cao thay thế, cho độ mở xupap và thờigian mở xupap được tăng lên, không khí được nạp vào nhiều hơn Hệ thống cung cấpcho xe khả năng di chuyển tốt ở tốc độ cao và tăng hiệu suất động cơ

Cam tốc độ cao

Độ nâng của cam

Khoảng thời gian mở của camKhoảng thời gian mở của cam

Cam tốc độ thấp

Độ nâng của cam

Các dạng VTEC: hiện nay có 6 dạng hệ thống VTEC kết cấu tuy khác nhaunhưng nói chung chúng giống nhau về mặt nguyên lý vì tất cả đều sử dụng loại trụccam có vấu kép, một vấu dùng khi tốc độ thấp và một vấu dùng ở tốc độ cao Ở dải tốc

độ thấp, các xupap mở ít và thời gian mở ngắn lại do biên dạng của vấu cam giảm

DOHC VTEC: Ứng dụng này của công nghệ VTEC có các cam tốc độ cao và

tốc độ thấp với các biên dạng khác nhau, được áp dụng trên cả trục cam nạp và trụccam xả Khi tốc độ động cơ thấp và trung bình, các xupap nạp và xupap xả được điềukhiển bởi các cam tốc độ thấp Các cam tốc độ cao sẽ điều khiển các xupap này khitốc độ động cơ cao Sự phối hợp hoạt động của các cam này cho phép động cơ tạođược mô men lớn ở tốc độ vòng tua thấp và công suất cao ở tốc độ vòng tua cao

SOHC VTEC: Cũng giống như DOHC, cam tốc độ thấp điều khiển các xupap

khi tốc độ động cơ thấp và trung bình, và cam tốc độ cao điều khiển khi tốc độ động

cơ cao Nhưng với SOHC thì điều này chỉ áp dụng cho các xupap nạp, kỹ thuật nàygiúp động cơ có được công suất cao và tiết kiệm nhiên liệu

New VTEC: Các cam tốc độ cao và tốc độ thấp với các biên dạng khác nhau

được áp dụng với các trục cam nạp, cam tốc độ cao được dùng khi tốc độ vòng tuacao trong khi cam tốc độ thấp được dùng khi tốc độ vòng tua thấp và trung bình.Nhưng trong sự áp dụng này các xupap nạp thứ cấp được giữ cố định với độ nâng nhỏ

để hòa khí không đọng lại trên ống góp hút khi tốc độ xe thấp trong khi các xupap nạp

cơ bản cung cấp không khí chủ yếu cho các xylanh Kết hợp với sự tinh tế trong hìnhdáng của các buồng đốt và các đường ống góp, việc này tạo ra một vòng chuyển độngxoáy trong mỗi buồng đốt để làm cho sự cháy đạt hiệu quả hơn Động cơ New VTEC

có thể tạo ra công suất và mô men lớn trong khi vẫn tiết kiệm nhiên liệu

VTEC ba giai đoạn: Ba giai đoạn khác nhau của hệ thống VTEC tương ứng

cho tốc độ thấp (một xupap được điều khiển bởi cam tốc độ thấp), tốc độ trung bình(tất cả các xupap được điều khiển bằng cam tốc độ trung bình), và tốc độ cao (tất cảcác xupap được điều khiển bởi cam tốc độ cao) Sự thiết kế này cho phép động cơ sửdụng nhiên liệu hiệu quả ở tốc độ vòng tua thấp, tạo được mô men lớn ở tốc độ vòngtua trung bình, công suất cao ở tốc độ vòng tua cao

VTEC-E: Trục cam của xupap nạp có các cam tốc độ thấp và trung bình với

các biên dạng riêng biệt Ở tốc độ vòng tua thấp, xupap thứ cấp được điều khiển bởi

cam tốc độ thấp (mặc dù trong thực tế nó hầu như không chuyển động); Tất cả cácxupap được điều khiển bởi cam tốc độ trung bình khi tốc độ vòng tua trung bình Kếtquả là động cơ tiêu thụ nhiên liệu một cách hiệu quả đặc biệt trong khi vẫn duy trìđược khả năng điều khiển ở mức cao.

i-VTEC: Hệ thống i-VTEC hoàn thành sự mở rộng công suất và mômen, hiệu

quả sử dụng nhiên liệu cao hơn và giảm khí thải nhờ sự điều khiển góc cam so với hệthống VTEC thay đổi thời gian mở xupap và độ nâng của xupap trong hai hoặc ba giaiđoạn i-VTEC bổ xung thêm cơ cấu VTC (Bộ điều khiển thời gian thay đổi) tiếp tụcthay đổi góc cam nạp từ góc chậm nhất sang góc tối ưu nhất

3.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của SOHC VTEC

 Hệ thống điều khiển (ECM)

Trục cam: Trục cam của động cơ SOHC VTEC có 3 loại cam, được gọi là cam

cơ bản, cam giữa, và cam thứ cấp Những cam này có những biên dạng khác nhau đểcung cấp thời gian mở xupap và độ nâng khác nhau

Hình 3.2 Cấu tạo của trục cam SOHC VTEC

Hình 3.3 Cấu tạo của SOHC VTEC 1-Pittông đồng bộ A 2-Cụm chuyển động êm 3-Pittông đồng bộ B 4-Cò mổ giữa

5-Cò mổ cơ bản 6-Cò mổ thứ cấp 7-Các xupap nạp 8-Trục cam

Các cò mổ: cò mổ cơ bản, cò mổ giữa, và cò mổ thứ cấp được tổ hợp lại trên

một hệ cơ học Các cò mổ cơ bản và thứ cấp tiếp xúc trực tiếp với các xupap Nhờ hoạtđộng của các pittông đồng bộ, pittông dừng và lò xo, sự chuyển động riêng biệt củacác cò mổ có thể liên kết với nhau hoặc tách rời nhau trong quá trình hoạt động củađộng cơ

Hình 3.4 Cấu tạo cò mổ và pittông 1-Trục cam 2-Pittông dừng 3-Cò mổ thứ cấp 4-Cò mổ giữa 5-Cò mổ cơ bản.

6-Pittông đồng bộ B 7 Pittông đồng bộ A

1

2

3 5

7

4 6

Cụm chuyển động êm: Cụm chuyển động êm bao gồm pittông chuyển động

êm, hướng chuyển động êm, các lò xo chuyển động êm A và B Cụm chuyển động êm tiếp xúc liên tục với cò mổ giữa Khi vòng tua chậm, cụm chuyển động êm loại trừ các chuyển động không cần thiết của cò mổ giữa, khi vòng tua cao, nó có tác dụng như là

một lò xo bổ trợ cho sự hoạt động hài hòa

Hình 3.5 Cấu tạo cụm chuyển động êm 1-Cụm chuyển động êm 2- Cò mổ giữa 3- Lò xo chuyển động êm A

4- Hướng chuyển động êm 5- Pittông chuyển động êm 6- Lò xo chuyển động êm B

thông tin phản hồi đến ECM

1 2

7

56

Hình 3.6 Cấu tạo van ống 1- Solenoid 2- Công tắc ngắt lực 3- Van ống.

Hệ thống điều khiển (ECM): Hệ thống VTEC được điều khiển bởi PGM-FI

ECM Bằng cách dùng các cảm biến, ECM kiểm tra tốc độ động cơ, mức độ tải động

cơ, vận tốc xe, nhiệt độ dung dịch nước làm mát động cơ và nhiều yếu tố khác Sau

đó, dựa theo những thông số này, ECM xác định được điều kiện làm việc hiện tại củađộng cơ và kích hoạt solenoid khi cần thiết (Van solenoid điều khiển áp lực thủy lựccung cấp đến van ống.)

Hình 3.6 Cấu trúc hệ thống điều khiển

Từ bơmdầu

1

2 3

3.2.2 Nguyên lý hoạt động

Khi tốc độ động cơ thấp (hệ thống không được kích hoạt): Hệ thống VTEC

không được kích hoạt khi tốc độ động cơ thấp (Tuy nhiên, rất nhiều yếu tố được kiểmtra trong khi động cơ đang hoạt động Nói đơn giản, ở đây các thông số đó được giámsát.) Van ống được đóng lại và không có áp lực thủy lực tác dụng lên các pittông đồng

bộ ở bên trong các cò mổ Nói cách khác, từng cò mổ chuyển động độc lập và đượcđiều khiển bởi các cam cơ bản, cam giữa, và cam thứ cấp tương ứng Trong điều kiện

đó, các xupap cơ bản và thứ cấp đóng và mở dựa theo thời gian và độ nâng được xácđịnh bởi các biên dạng của cam cơ bản và cam thứ cấp Tất nhiên, cò mổ giữa sẽ đượcđiều khiển bởi cam giữa trong thời gian này, nhưng nó không ảnh hưởng đến hoạtđộng của các xupap và chịu tác động bởi cụm chuyển động êm để triệt tiêu tiếng láchcách khi chuyển động

Hình 3.7 Hệ thống VTEC không được kích hoạt 1-Pittông đồng bộ A 2- Pittông đồng bộ B 3- Pittông dừng 4- Cò mổ thứ cấp.

5- Cò mổ giữa 6 Cò mổ cơ bản

Khi tốc độ động cơ cao (hệ thống được kích hoạt): Một khi tốc độ động cơ

vượt qua giới hạn xác định, ECM phát tín hiệu đến solenoid để mở van ống Áp suấtthủy lực từ bơm dầu bây giờ có thể truyền dòng dầu bên trong trục cam đến các cò mổ,nơi nó tác dụng lên các pittông đồng bộ và đẩy chúng sang một bên Tuy nhiên, nếu có

45

6

một trong các cò mổ đang tiếp xúc với cam trong thời điểm này, tất cả các pittông sẽkhông được sắp xếp cùng nhau Do đó các cò mổ vẫn tiếp tục chuyển động ngay cả khi

áp lực thủy lực đang tác động lên các pittông Khi tất cả ba cò mổ rời cam đồng thời,các pittông sẽ trượt và các cò mổ sẽ được liên kết cùng nhau Trong điều kiện đó, cảxupap cơ bản và xupap thứ cấp được điều khiển bởi cam giữa được định dạng cho tốc

độ động cơ cao thông qua sự hoạt động của cò mổ giữa Khi tốc độ động cơ giảm, vanống sẽ được đóng lại và áp suất thủy lực sẽ giảm Lò xo của pittông dừng sẽ cố gắngđẩy các pittông quay lại vị trí ban đầu của chúng Như trước đây, điều đó sẽ nhận đượckhi tất cả các pittông được sắp xếp cùng nhau Các cò mổ được tách rời nhau và bắtđầu làm việc độc lập

Hình 3.8 Hệ thống VTEC được kích hoạt

Đồ thị khai triển biên dạng cam tác dụng cho ta thấy cả thời điểm và độ nângxupap đều được thay đổi để đáp ứng lượng không khí và pha phân phối khí phù hợpkhi động cơ hoạt động ở tốc độ cao Từ đó giúp động cơ hoạt động với hiệu suất cao

và mômen xoắn lớn

Áp suất thủy lực

Hình 3.9 Đồ thị khai triển biên dạng cam tác dụng

3.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của DOHC VTEC

Trong khi hệ thống SOHC VTEC chỉ có trục cam nạp được áp dụng công nghệVTEC, thì ở DOHC VTEC, công nghệ này được áp dụng cho cả trục cam nạp và xả.Điều này làm cho các thông số nạp và xả được điều khiển tùy theo tốc độ động cơ

DOHC VTEC có hai hệ thống VTEC độc lập khác với một hệ thống trên SOHCVTEC, cách thức hoạt động của hai hệ

thống đó là hoàn toàn như nhau

3.10 Cấu tạo của DOHC VTEC

Cam giữaCam cơ bản và cam thứ cấp

Độ nâng xupap

Thời gian

6

789

1

23

5

10

3.11 Đồ thị khai triển biên dạng cam tác dụng

3.4 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của NEW VTEC

Hệ thống New VTEC được thực hiện trên cơ sở phát triển hệ thống SOHCVTEC Sự phát triển này bao gồm những thành phần sau :

 Đĩa thời gian

 Pittông thời gian

3.12 Cấu tạo của NEW VTEC

1-Đĩa thời gian 2-Cò mổ giữa 3-Cò

mổ thứ cấp 4-Pittông đồng bộ B.

5-Pittông đồng bộ A 6-Pittông thời

gian 7-Xupap nạp 8-Cò mổ cơ bản

9-Trục cam

Đĩa thời gian và pittông thời gian: Đĩa thời gian và pittông thời gian được lắp

đặt trên cò mổ cơ bản trong hệ thống New VTEC Đĩa thời gian được lắp bên ngoàicủa cò mổ cơ bản và tất cả các bộ phận này chuyển động hòa hợp Pittông thời gianđược lắp trên một đường với pittông đồng bộ A Một phần của đĩa thời gian đi qua sự

mở trong cò mổ cơ bản và gài với kênh trong pittông thời gian

3.13 Đĩa thời gian và pittông thời gian 1-Đĩa thời gian 2-Pittông đồng bộ A 3-Pittông thời gian 4-Cò mổ cơ bản 5-Cò mổ giữa 6-Cò mổ thứ cấp 7-Pittông đồng bộ B 8-Pittông đồng bộ A

9-Đĩa thời gian 10-Pittông thời gian

Mặc dù nguyên lý làm việc của của các ứng dụng New và SOHC của công nghệVTEC về cơ bản là giống nhau, nhưng chúng cũng có những điểm khác nhau ở nhữngđiểm sau đây :

 Sự mở của xupap thứ cấp

Khi tốc độ động cơ chậm, các xupap cơ bản và thứ cấp của SOHC VTEC có độnâng như nhau Tuy nhiên biên dạng của cam trong New VTEC đảm bảo rằng xupapthứ cấp chỉ mở ít trong khi xupap cơ bản được mở nhiều hơn Điều này đảm bảo rằngmột vòng xoáy (hình dáng của cửa hút, buồng cháy, và các bộ phận tương tự khác đềuđược thay đổi để tăng tính chất xoáy.) được tạo ra trong buồng đốt trong quá trìnhcung cấp hỗn hợp không khí/nhiên liệu chỉ qua một xupap Bởi vậy, vận tốc truyềnlửa được tăng lên và sự cháy hỗn hợp nghèo được ổn định Nếu xupap thứ cấp đónghoàn toàn vào thời gian đó, một lượng nhỏ của nhiên liệu được tích tụ trong cửa hút

Để tránh khỏi hiện tượng này, xupap thứ cấp được mở chút ít Khi tốc độ động cơ cao,tất cả các xupap đều được điều khiển bởi cam tốc độ cao (cam giữa).

3.14 Đồ thị khai triển biên dạng cam tác dụng

 Cơ cấu thời gian

Cơ cấu thời gian là bảo đảm pittông đồng bộ có mặt tại vị trí khi hệ thốngVTEC đang hoạt động Sự hoạt động của hệ thống VTEC xuất hiện trong New VTEC

ở tốc độ vòng tua thấp hơn so với ở DOHC hoặc SOHC.(Điều này cũng đúng chonhững hệ thống khác mà có cơ cấu thời gian như là VTEC-E hoặc VTEC ba giai đoạn)Một hệ quả trực tiếp của điều này là áp suất thủy lực tác động lên pittông đồng bộ làthấp hơn những trường hợp đã được đề cập từ trước Áp lực thủy lực này có thể thayđổi và có thể là kết quả hình dung được của sự chuyển động chủ tâm của pittông đồng

bộ Để chống lại sự xuất hiện này, pittông thời gian được lắp chắc chắn tại vị trí bởiđĩa thời gian mỗi khi các pittông ở trong điều kiện mà sự trượt có thể xảy ra

3.15 Cơ cấu thời gian

Thời gian

Độ nâng xupap

Cam giữaCam cơ bản

Cam thứ cấp

Pittông dừng

Pittông đồng bộ AĐĩa thời gian

Pittông thời gian

Đĩa thời gian được lắp trên cò mổ cơ bản, chuyển động nhất trí với cò mổ này.Tuy nhiên, mức của sự chuyển động này được giới hạn bởi cái dừng được gắn trênvòng kẹp trục cam Vì vậy, cứ mỗi khi cò mổ cơ bản được nâng lên, đĩa thời gian trượt

ra khỏi rãnh ở trên pittông thời gian, và tháo khóa cho pittông này Nếu áp suất thủylực đang bị ngắt ở pittông thời gian ở thời điểm này, nó sẽ trượt sang bên một ít

3.16 Hoạt động của cơ cấu thời gian

Cam vẫn tiếp tục quay và khi độ nâng của cam gần như đạt mức 0, đĩa thời gian

sẽ cố gắng quay lại vị trí ban đầu của nó Tuy nhiên, vì pittông thời gian đã chuyểnđộng một đoạn đường ngắn từ vị trí ban đầu của nó, cho nên lúc đó hai bộ phận này sẽkhông được sắp xếp như là ban đầu Khi độ nâng đạt đến 0, pittông thời gian, và cả cácpittông đồng bộ sẽ bị trượt bởi áp lực thủy lực, đảm bảo các cò mổ gắn kết cùng nhau

3.17 Hoạt động của cơ cấu thời gian

Khi pittông thời gian đạt được vị trí chắc chắn, đĩa thời gian sẽ một lần nữađược sắp xếp với một kênh khác của pittông thời gian và bảo vệ khỏi sự trượt xa hơn

3.18 Hoạt động của cơ cấu thời gian

Khi giảm áp lực thủy lực như là kết quả sự hoạt động của hệ thống VTEC, một

lò xo yếu bên trong xẽ đẩy pittông thời gian về vị trí ban đầu trong thời gian khi màđĩa thời gian được kéo ra xa bởi sự nâng cò mổ

3.19 Hoạt động của cơ cấu thời gian

Pittông thời gian lúc này sẽ được đảm bảo chắc chắn ở vị trí một lần nữa bởi đĩathời gian

3.20 Hoạt động của cơ cấu thời gian

Khi độ nâng đạt tới 0, các pittông đồng bộ được đẩy quay lại vị trí ban đầu củachúng bởi lò xo khứ hồi, vì vậy tháo rời các cò mổ

3.21 Hoạt động của cơ cấu thời gian

Điều kiện thay đổi thời gian xupap

Tốc độ động cơ: 2300 tới 3200 /phút phụ thuộc vào lực

Tốc độ xe: Trên 10 km/h

Nhiệt độ nước làm mát động cơ: Trên 10 độ C

Mức tải động cơ: Được xác định từ chân không ống góp hút

3.5 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của VTEC 3 giai đoạn

Sự phát triển xa hơn nữa của công nghệ New VTEC là hệ thống VTEC ba giaiđoạn, hệ thống này điều khiển các xupap nạp ở ba giai đoạn khác nhau Mặc dù hầuhết các bộ phận là giống như ở trong New VTEC, ở đây dùng hai hệ thống ngắt lực, vàhai van ống

3.22 Cấu tạo của VTEC 3 giai đoạn 1- Các pittông đồng bộ 2-Cụm chuyển động êm 3-Các pittông dừng.4-Cò mổ thứ cấp 5-Cò mổ giữa 6-Cò mổ cơ bản.7-Đĩa thời gian 8-Bộ chuyển ở tốc độ thấp/trung bình

9-Bộ chuyển ở tốc độ trung bình/cao

Các cò mổ được kết nối với hai hệ thống ngắt lực – mỗi hệ thống thủy lực đượcđiều khiển bởi một van ống

• Hệ thống chuyển từ tốc độ chậm sang tốc độ trung bình bao gồm pittông thờigian và pittông dừng để kết nối các cò mổ cơ bản và thứ cấp

• Hệ thống chuyển từ tốc độ trung bình sang tốc độ cao bao gồm pittông dừng,pittông đồng bộ A, và pittông đồng bộ B để kết nối các cò mổ cơ bản, giữa, và thứ cấp

Đĩa thời gian được lắp đặt với pittông thời gian của hệ thống chuyển từ tốc độchậm sang trung bình