CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÍ BIẾN THIÊN
3.4 Giới thiệu hệ thống phân phối khí i-VTEC
3.4.4 Các chế độ cơ bản của i-VTEC
Góc cam được duy trì
Vị trí góc quay VTC
xả hút
Góc trùng điệp lớn
ĐCT D
ĐCT ĐCT
D
Cam thứ cấp 250
Hình 3.34Các chế độ hoạt động của i- VTEC
Chế độ cầm chừng và cháy nghèo Tải động cơ
Tốc độ động cơ 1
1
2 3
4
Cam tốc độ cao Cam tốc độ thấp
VTEC
V T C
mômen động
cơ
Kỳ xả Kỳ hút
ĐCD ĐCT ĐCD
Ở chế độ này các cò mổ hoạt động độc lập và chịu tác dụng của các vấu cam riêng. Cò mổ thứ cấp chịu tác dụng của cam thứ cấp nên chỉ mở một hành trình nhỏ để hỗn hợp hòa khí không đọng lại trên ống góp nạp. Cò mổ cơ bản chịu tác dụng của cam cơ bản nên hầu như lượng hòa khí đều qua đây làm cho hòa khí vào buồng đốt với dòng lốc xoáy mạnh điều mà cho phép sử dụng tỉ lệ hòa khí ngạc nhiên tới 20 : 1 trong chế độ cháy nghèo hoặc chế độ tiết kiệm trong điều kiện chạy cầm chừng. Bộ chấp hành VTC điều khiển góc trùng điệp là nhỏ nhất kết quả làm cho khí xả được thải sạch, hòa khí mới nạp vào không lẫn với khí xả làm cho đặc tính cháy tốt hơn , động cơ hoạt động ổn định ở chế độ cầm chừng, tính kinh tế nhiên liệu tốt. Chế độ được xác định với các điều kiện bướm ga gần như đóng kín, tải động cơ nhỏ và tốc độ động cơ thấp. Nếu bướm ga mở lớn ECM sẽ chuyển sang hoạt động ở chế độ 3.
Tính kinh tế nhiên liệu và hiệu ứng EGR
Hình 3.36 Hiệu ứng EGR
Các cò mổ vẫn hoạt động độc lập tương ứng với các vấu cam. Chế độ này là chế độ chuyển tiếp giữa chế độ 1 và chế độ 3. ECM sẽ chuyển từ việc sử dụng tỉ lệ hòa khí 20 : 1 sang 14,7 hoặc 12 : 1 gần với tỉ lệ hòa khí lý tưởng và điều khiển bộ chấp hành VTC làm cho góc trùng điệp của 2 xupap là lớn nhất, kết quả sẽ gây ra tác dụng tuần hoàn khí thải EGR (cho một phần khí xả quay trở lại buồng đốt để làm cho nhiệt độ buồng đốt giảm và giảm khí thải độc NOx sinh ra ). Chế độ này tiết kiệm nhiên liệu, giảm ô nhiễm khí thải nhưng vẫn tạo ra công suất cao.
Tăng mômen xoắn ở tốc độ thấp
45
Kỳ xả Kỳ hút
ĐCD ĐCT ĐCD
Kỳ xả Kỳ hút
Góc trùng điệp lớn
ĐCD ĐCT ĐCD
Cam thứ cấp
Hình 3.37 Chế độ mômen xoắn nhỏ
Ở chế độ này ECM điều khiển thời điểm đóng mở của xupap nạp theo số vòng quay động cơ khi mà bướm ga mở lớn hơn nhưng số vòng quay động cơ thấp ( tải tăng ) nhằm tạo ra được mômen xoắn tối ưu nhất.
Chế độ mômen xoắn trung bình/cao ( Mid/Hight-End Torque )
Hình 3.38 Chế độ mômen xoắn trung bình/cao
Chế độ này động cơ hoạt động với cam tốc độ cao. ECM xác định từ các điều kiện số vòng quay tăng, tài xế đạp chân ga mở lớn. Bộ chấp hành VTC điều khiển thời điểm phối khí sớm pha cơ bản để giảm hiện tượng mất bơm, xupap nạp được đóng nhanh. Điều này giúp việc đưa hỗn hợp nhiên liệu - khí vào hiệu quả, và tối đa công suất động cơ, VTEC điều khiển vấu cam phù hợp để tạo ra mômen xoắn lớn nhất.
Kỳ xả Kỳ hút
Góc trùng điệp điều chỉnh liên tục
ĐCD ĐCT ĐCD
Cam thứ cấp
Vào năm 1992 MIVEC được Mitsubishi giới thiệu lần đầu tiên. Thế hệ công nghệ này ra đời với tên gọi “Mitsubishi Innovative Valve timing Electronic Control”
Hình 3.39 Cấu trúc hệ thống Mivec
3.5.2 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động thay đổi độ nâng xupap Van điều khiển
dầu
Bộ chấp hành trục
cam xả
Bộ chấp hành trục
cam hút
Cảm biến vị trí trục cam
Cảm biến vị trí trục khuỷu
Hình 3.40 Hoạt động của các cam ở tốc độ thấp
am hút tốc độ thấp
Hình 3.41 Hoạt động của các cam ở tốc độ cao
Hình 3.41 Cấu tạo hoạt động cam
3.5.3 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động thay đổi thời điểm phân phối khí
Cấu tạo
- Hệ thống điều khiển thời điểm đóng mở xupap
Hình 3.42 Cấu tạo bánh răng VVT và van điều khiển dầu - Bánh răng đai
Bánh răng VVT
Hình 3.43 Cấu tạo bánh răng đai - Van điều khiển dầu (OCV)
Hình 3.44 Cấu tạo van điều khiển dầu OCV 3.7.3 Nguyên lý hoạt động
Hình 3.45 Hệ thống điều khiển
Van điều khiển dầu
Hướng góc làm trễ
Hướng góc làm sớm Hướng di
chuyển ti van
Tới khoang làm trễ Tới khoang làm sớm
Lò xo Đường hồi
Đường hồi Từ bơm
Ti van
ECU
CKP MAP TP CMP
ECU động cơ xác định tình trạng của động cơ bằng sự phản hồi từ các tín hiệu cảm biến, gởi tín hiệu nhiệm vụ đến van điều khiển cung cấp dầu cho sự phản hồi của tình trạng động cơ và điều khiển vị trí của van ống. Khi động cơ dừng lại, van ống sẽ đặt góc trễ lớn nhất nhờ áp suất thủy lực. Van điều khiển cung cấp dầu phân phối áp suất thủy lực để làm chậm lại hoặc đẩy nhanh góc cháy, hoặc thay đổi liên tục pha phối khí của trục cam hút trong từng giai đoạn từ góc sớm đến góc trễ.
Điều khiển thông tin phản hồi :
ECU động cơ nhận biết các tín hiệu cảm biến khác nhau và tính toán cân chỉnh thích hợp nhất cho tình trạng hoạt động, và chỉ đạo van điều khiển cung cấp dầu. Việc thời điểm đóng mở thực sự được nhận biết từ tín hiệu cảm biến vị trí trục cam nạp, và điều khiển thông tin phản hồi cho phù hợp với mục đích điều chỉnh thời điểm đóng mở xupap.
Góc quay sớm
Van điều khiển cung cấp dầu qua van ống làm tăng sớm góc quay nhờ một tín hiệu điều khiển góc quay từ ECU động cơ. Áp suất thủy lực từ thân máy được cung cấp cho buồng bánh răng góc quay sớm, cánh rôto di chuyển về phía góc quay sớm, và góc quay của trục cam hút tăng.
Hình 3.46 Góc quay sớm
Góc quay trễ
Dầu từ van điều khiển qua van ống điều khiển sẽ đi vào trong buồng hướng góc trễ nhờ một tín hiệu điều khiển góc quay từ ECU động cơ. Áp suất thủy lực từ thân máy được đặt vào buồng hướng góc trễ bánh răng V.V.T, cánh rôto di chuyển về phía góc quay trễ, và góc quay của trục cam hút bị giảm lại.
0 12V
Van điều khiển dầu
ECU
Hướng di chuyển ty van
Tỉ lệ hiệu dụng xung điều khiển
Trục cam nạp Hướng
góc quay sớm Bánh đai VVT
Cánh rôto
Buồng làm
trễ Buồng làm sớm
Hình 3.47 Góc quay trễ
Khi trục cam ở vị trí giữ
Khi mà góc pha thực tế đạt đến góc pha đích, góc buồng góc quay sớm và góc buồng quay trễ với áp suất thủy lực được duy trì, như góc pha của trục cam nạp. Khi điều này xảy ra, dầu được van điều khiển cung cấp điều khiển sao cho góc pha thực tế giống như góc pha đích (góc pha lý thuyết).
Cánh rôto Bánh đai VVT
Van điều khiển dầu
Trục cam nạp
ECU
12V
Tỉ lệ hiệu dụng xung điều khiển Buồng làm trễ
0V Buồng làm sớm
Cánh rôto Bánh đai VVT
Van điều khiển dầu
Buồng làm trễ
Trục cam nạp
Hướng di chuyển ty van
ECU
12V
Tỉ lệ hiệu dụng xung điều khiển Hướng
góc quay trễ
0V Buồng làm sớm
3.5.6 Ưu điểm của MIVEC
Tăng môment xoắn và công suất ra ở mọi tốc độ.
Tăng sự ổn định tốc độ cầm chừng.
Giảm sự tiêu thụ nhiên liệu và giảm lượng ô nhiễm.
Những cải thiện ở môment ở tốc độ thấp và trung bình :
Bằng cách làm cho xupap hút đóng nhanh hơn ở tốc độ thấp và trung bình của động cơ, nó có thể điều khiển hỗn hợp nạp vào trở lại ống góp hút, làm gia tăng công suất của khí nạp, và tăng thêm môment xoắn ở tốc độ thấp và trung bình.
Làm cho xupap hút mở ra sớm nghĩa là có góc trùng điệp lớn, làm tăng việc tuần hoàn khí thải EGR, khí cháy trong xylanh được luân hồi lại cùng với hòa khí sạch tràn vào. Việc này giúp giảm nhiệt độ buồng đốt giảm NOx đốt hoàn toàn hòa khí chưa cháy hết làm giảm ô nhiễm của khí thải và tiết kiệm nhiên liệu.
Những cải thiện ở tốc độ cao : công suất riêng được cải thiện nhờ sự đóng chậm của xupap hút, và sử dụng lực quán tính của luồng khí nạp.
Tăng sự ổn định tốc độ cầm chừng : bằng cách giảm góc trùng điệp, sự cháy có thể ổn định bằng việc điều khiển khí nạp trở về ống góp hút hút.
3.6 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÍ BIẾN THIÊN VANOS 3.6.1 Giới thiệu
Hệ thống VANOS trang bị trên động cơ BMW là công nghệ làm thay đổi thời điểm mở xupap hoạt động dựa trên nguyên lý làm thay đổi vị trí tương đối của trục cam với trục khuỷu động cơ. Hệ thống này có thể xoay tương đối trục cam 400 so với góc quay trục khuỷu và điều chỉnh liên tục để tối ưu hóa vị trí trục cam cho tất cả các điều kiện hoạt động của động cơ. Không giống như các hệ thống thay đổi thời điểm mở xupap của các hãng khác VANOS có cấu tạo khác hẳn là sự kết hợp giữa việc điều khiển bằng cơ khí và thủy lực và được quản lý bởi DME (hệ thống điều khiển động cơ của xe).
Hình 3.49 Hoạt động của hệ tống Vanos 3.6.2 Cấu tạo
Hình 3.50 Cấu tạo solenoid
Hệ thống điều khiển thủy lực: gồm bơm dầu để tạo áp lực tác dụng lên piston
Đĩa xích trục cam
Bánh răng nghiêng của đĩa xích và trục then hoa
pittông
Hình 3.51 Các chi tiết hệ thống điều khiển cơ khí
Gồm đĩa xích được dẫn động bởi trục khuỷu động cơ. Đĩa xích không gắn cứng với trục cam mà được liên kết với trục cam thông qua then hoa. Bánh răng nghiêng trên đĩa xích ăn khớp trong với bánh răng nghiêng của trục then hoa. Trục cam lại được liên kết với trục then hoa bằng bánh răng ăn khớp trong nhưng là răng thẳng.
Trục then hoa có thể di chuyển dọc trục dưới tác dụng của áp suất thủy lực để làm thay đổi vị trí tương đối của trục cam với đĩa xích. Góc độ thay đổi phụ thuộc vào hướng nghiêng ban đầu của trục then hoa và bánh răng đĩa xích. Bộ chấp hành cơ khí của tất cả các hệ thống VANOS hoạt động dưới một nguyên lý giống nhau.
3.6.3 Nguyên lý hoạt động
Đĩa xích A được dẫn dộng bởi trục khuỷu giữa tâm có răng nghiêng ăn khớp với trục B
Trục B được kết nối với piston. Khi áp lực thủy lực tác dụng lên piston sẽ làm trục này di chuyển dọc trục.
Trục C là trục cam
Hình 3.52 Cấu tạo cơ cấu Vanos
Làm trễ thời điểm phối khí:
Vanos được mặc định ở vị trí làm trễ thời điểm phối khí, lúc này dòng dầu tác dụng trực tiếp lên mặt sau của piston (mặt gần trục cam) làm kéo trục này sang trái.
Khi trục B di chuyển dọc trục sang trái sẽ làm thay đổi góc phối khí theo hướng làm trễ thời điểm phối khí.
A
B C
Hình 3.53 Làm trễ thời điểm phối khí
Làm sớm thời điểm phối khí :
Khi dòng dầu tác dụng trực tiếp lên mặt trước của piston làm trục B kéo sang phải. Khi trục B di chuyển dọc trục sang phải sẽ làm thay đổi góc phối khí theo hướng làm sớm thời điểm phối khí.
A
B C
A
B C
Khi đã đạt được thời điểm phối khí tối ưu, DME giữ nguyên tỉ lệ hiệu dụng của xung điều khiển để duy trì vị trí trục cam hợp lý.
Giá trị của độ rộng xung (thời gian on, duty cycle) do DME gửi tới solenoid sẽ điều khiển áp lực dầu tác dụng lên piston để làm trễ, sớm hay giữ nguyên thời điểm phối khí.
3.7 Giới thiệu hệ thống phân phối khí biến thiên Valvetronic 3.7.1 Giới thiệu
Hệ thống Vanos mới chỉ thay đổi được thời điểm phối khí mà chưa tác động sâu được vào độ nâng xupap. Do đó BMW tiếp tục phát minh ra hệ thống Valvetronic và xuất hiện lần đầu trên mẫu xe BMW 316ti 4 xylanh nhỏ gọn vào tháng 6 năm 2001 và hiện nay được sử dụng rộng rãi trên các mẫu BMW 3-series. Động cơ ứng dụng công nghệ Valvetronic được trang bị hệ thống máy tính quản lý có bộ xử lý 40-megahertz, 32-bit trên xe và là động cơ đầu tiên trên thế giới không cần sử dụng bướm ga
3.7.2 Cấu tạo
Hình 3.55 Cấu tạo của hệ thống Valvetronic
Trục cam:
Có cấu tạo như một trục cam của động cơ thông thường nhưng các vấu cam không tác dụng trực tiếp lên cò mổ mà thông qua cơ cấu thay đổi độ nâng xupap.
Cơ cấu thay đổi độ nâng xupap: gồm trục lệch tâm, các đòn dẫn và lò xo. Khi mô tơ quay sẽ làm trục lệch tâm quay theo, do được chế tạo lệch tâm nên khi quay nó sẽ làm thay đổi điểm tựa của các đòn gánh do đó làm thay đổi sự tác dụng của trục cam làm thay đổi độ nâng xupap. Lò xo đảm bảo cho đòn dẫn luôn tiếp xúc với cam.
Mô tơ điện:
Là loại mô tơ điện một chiều có tác dụng xoay trục lệch tâm, được truyền động qua trục lêch tâm thông qua bộ truyền giảm tốc trục vít bánh vít. Trục vít lắp trên mô tơ và bánh vít gắn trên trục lệch tâm.
Trục cam
Trục vít-bánh vít
Trục lệch tâm
Đòn dẫn
Xupap Lò xo đòn dẫn
3.7.3 Nguyên lý hoạt động
Xupap đóng hoàn toàn:
Mô tơ điện quay trục lệch tâm ở vị trí đóng hoàn toàn, tuy lúc này vấu cam vẫn tác dụng lên đòn dẫn nhưng ở vị trí này đòn dẫn không tác dụng được lên đòn gánh nên kết quả đòn gánh không tác dụng được vào đuôi xupap làm xupap đóng hoàn toàn.
Có thể ứng dụng vị trí xupap đóng hoàn toàn trong hệ thống xylanh biến thiên (ngắt một số xylanh khi không cần thiết như ở động cơ V6 thực hiện việc điều khiển chế độ hoạt động 3 hoặc 6 xylanh). Khi ở chế độ tải nhẹ và không cần công suất và mômen lớn hệ thống sẽ ngừng hoạt động các xupap hút của dãy động cơ phía trước.
Khi đó mức tiêu thụ nhiên liệu sẽ giảm đi.
Vị trí trục lệch tâm
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM Tiểu luận tốt nghiệp
Hình 3.56 Xupap đóng hoàn toàn
Khi tốc độ động cơ thấp, tải nhẹ và trung bình tp đóng hoàn toàní xupap đóng hoàn toàn tro
:T tín hiệu từ các cảm biến như tốc độ động cơ, tải, nhiệt độ nước làm mát, vị trí bàn đạp ga gửi về hệ thống điều khiển sau đó hệ thống tính toán và điều khiển mô tơ điện quay làm trục lệch tâm quay theo lúc này vấu cam tác dụng vào đòn dẫn đòn gánh xupap làm xupap mở với hành trình nhỏ tiết diện lưu thông nhỏ hòa khí vào xylanh ít công suất động cơ nhỏ.
Khi tốc độ động cơ cao hay tải nặngtsuất động cơ nhỏ.ỏ ành trình nh:
Mmô tơ quay trục lệch tâm ở vị trí mở lớn nhất do đó độ nâng xupap là lớn nhất làm cho tiết diện lưu thông qua các xupap lớn nhất nên hòa khí nạp vào xylanh nhiều hơn, thời gian nạp dài hơn kết quả công suất và mômen động cơ tăng đáp ứng kịp thời các chế độ hoạt động của động cơ.
Vị trí trục lệch tâm
Khi tốc độ động cơ thấp Khi tốc độ động cơ cao Hình 3.57 Hoạt động ở tốc độ thấp và tốc độ cao
3.7.4 Đồ thị công suất và môment động cơ
Hình 3.58 Đồ thị công suất và mômen động cơ sử dụng Valvetronic 1.8lit 85 KW ở 5500 vòng/phút
175 Nm ở 3750 vòng/phút
0 40 80 120 160 200 240
(KW) N
1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
vg ph 20
40 60 80
( )
M Nm