Lí do sử dụng công nghệ
Hệ thống Dual VVT-i
Động cơ ô tô hoạt động với tốc độ thay đổi, và mỗi tốc độ tương ứng với các thông số thời điểm, độ nâng và thời gian mở của xupap khác nhau Đối với động cơ cổ điển, pha phân phối khí được tối ưu ở một số vòng quay nhất định, nhưng độ nâng xupap không thể thay đổi Nếu tối ưu hóa xupap cho tốc độ thấp, hiệu suất đốt nhiên liệu sẽ kém ở tốc độ cao, dẫn đến công suất động cơ bị giới hạn Ngược lại, tối ưu hóa cho tốc độ cao sẽ làm giảm hiệu suất ở tốc độ thấp Để khắc phục những hạn chế này, hệ thống phân phối khí hiện đại ra đời nhằm điều chỉnh thời điểm mở, độ mở, khoảng thời gian mở và độ nâng xupap theo từng tốc độ động cơ, đảm bảo quá trình nạp và xả khí hiệu quả Mỗi hãng xe phát triển công nghệ riêng để cải tiến cơ cấu thay đổi pha phân phối khí và độ nâng xupap qua các giai đoạn.
Toyota đã phát minh ra hệ thống Dual VVT-i, cho phép thay đổi pha phân phối khí liên tục theo tốc độ động cơ nhờ vào việc điều khiển của ECU Hệ thống này có khả năng điều chỉnh thời điểm phối khí bằng cách làm trễ, sớm hoặc giữ nguyên, dựa trên các thông số và chế độ hoạt động của động cơ.
Hệ thống Dual VVT-i là một biến thể tiên tiến của Dual VVT-i, không chỉ điều phối van nạp mà còn cả van xả, giúp tối ưu hóa thời điểm đóng mở Sự cải tiến này mang lại lợi ích lớn trong việc tiết kiệm nhiên liệu, tăng cường công suất động cơ và giảm thiểu ô nhiễm khí thải đáng kể so với phiên bản trước Chính vì vậy, công nghệ Dual VVT-i được ứng dụng rộng rãi trên động cơ của Toyota.
2 download by : skknchat@gmail.com
Hệ thống VANOS
Cơ cấu VANOS, được gọi là DOPPER VANOS, sử dụng cho cả trục cam nạp và thải, với bánh xích dẫn động từ trục khuỷu nối với trục then hoa Dưới tác dụng của áp suất dầu từ hệ thống bôi trơn, có bơm cao áp nâng áp suất lên 100 bar, trục then hoa di chuyển dọc trục Bánh răng nghiêng của trục then hoa ăn khớp với bánh răng nghiêng dẫn động trục cam, khiến trục cam xoay một góc 600 độ so với bánh xích dẫn động trục cam lắp trục khuỷu Động cơ BMW có cam nạp dịch chuyển 600 độ và cam xả dịch chuyển 450 độ theo góc quay trục khuỷu Cả hai trục cam đều xoay theo hướng mở muộn nhờ vào việc dẫn động từ trục khuỷu qua bánh xích VANOS kết hợp giữa điều khiển cơ khí và hệ thống điều khiển bằng thủy lực để điều chỉnh các trục cam, được quản lý bởi hệ thống điều khiển động cơ DME.
Hệ thống VANOS hoạt động dựa trên việc điều chỉnh vị trí của trục cam nạp so với trục khuỷu, giúp tối ưu hóa hiệu suất động cơ Công nghệ Double_VANOS cho phép điều chỉnh cả trục cam điều khiển xupap nạp và xupap xả, đảm bảo hoạt động hiệu quả ở mọi tốc độ động cơ và vị trí bàn đạp ga Khi tốc độ động cơ giảm xuống mức thấp nhất, VANOS cải thiện chất lượng hoạt động ở tốc độ thấp và duy trì sự ổn định Ở tốc độ trung bình, xupap nạp được điều khiển để mở sớm hơn, tăng cường khả năng hút khí vào xylanh và cải thiện lưu thông không khí, từ đó giảm tiêu hao nhiên liệu và khí thải Ở tốc độ cao, xupap nạp mở muộn hơn, giúp khai thác tối đa công suất và mô men xoắn của động cơ.
3 download by : skknchat@gmail.com của động cơ, và điều chỉnh việc cung cấp lượng hoà khí cho động cơ ở mức độ tối ưu, và tiết kiệm nhiên liệu.
Hệ thống điều chỉnh VANOS tối ưu hóa việc phân phối khí bằng cách điều chỉnh trục cam nạp và xả, giúp kiểm soát thời điểm mở và đóng xupap theo yêu cầu của động cơ Nhờ vào việc điều chỉnh này, lượng nhiên liệu tiêu thụ được tiết kiệm hơn khi động cơ hoạt động ở các chế độ khác nhau, đồng thời giảm thiểu lượng nhiên liệu thất thoát qua khí thải Kết quả là chi phí nhiên liệu khi vận hành động cơ giảm, đồng thời công suất định mức của động cơ tăng lên, mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn khi sử dụng.
4 download by : skknchat@gmail.com
Cấu tạo
Hệ thống Dual VVT-i
2.1.1 Mô tả tổng thể hệ thống Dual VVT-i
Hệ thống Dual VVT-i trên động cơ
Hệ thống Dual VVT-i điều khiển trục cam nạp và xả với góc 50 độ và 40 độ tương ứng, giúp tối ưu hóa thời điểm phối khí cho động cơ Nhờ đó, mô men xoắn được cải thiện ở mọi dải tốc độ, đồng thời tăng cường khả năng tiết kiệm nhiên liệu và giảm lượng khí thải.
Tổng thể một hệ thống Dual VVT-i gồm:
Bộ điều khiển Dual VVT-i được đặt ở đầu trục cam, giúp tạo ra sự chênh lệch thời gian giữa trục cam và trục khuỷu thông qua một thiết bị truyền động thủy lực.
Van điều khiển dầu phối khí trục cam (OCV) điều khiển áp suất dầu tới bộ điều khiển Dual VVT-i theo lệnh ECU.
Bộ xử lý trung tâm ECU 32 bit tính thời điểm mở van tối ưu dựa trên điều kiện vận hành động cơ.
5 download by : skknchat@gmail.com
Bơm và đường dẫn dầu, các xupap, cùng với cảm biến vị trí trục khuỷu, cảm biến lưu lượng khí nạp, cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến nhiệt độ nước làm mát, cảm biến vị trí trục cam và tín hiệu tốc độ xe đều đóng vai trò quan trọng trong việc vận hành hiệu quả của động cơ Những thành phần này giúp đảm bảo động cơ hoạt động ổn định, tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu khí thải.
Sơ đồ tổng thể hệ thống Dual VVT-i Intake Camshaft Timing Oil Control Valve (Van điều khiển dầu phối khí trục cam nạp);
Exhaust Camshaft Timing Oil Control Valve (Van điều khiển dầu phối khí trục cam xả); Intake Camshaft
Position sensors play a crucial role in engine performance, including the Camshaft Position Sensor for both intake and exhaust, as well as the Crankshaft Position Sensor These sensors, along with the Engine Coolant Temperature Sensor, Mass Air Flow Meter, and Throttle Position Sensor, work together to optimize engine efficiency and ensure proper operation Understanding the function of each sensor is essential for effective vehicle maintenance and performance enhancement.
6 download by : skknchat@gmail.com
2.1.2 Cấu tạo hệ thống Dual VVT-i
Bộ chấp hành của hệ thống Dual VVT-i bao gồm bộ điều khiển Dual VVT-i, có chức năng xoay trục cam nạp và xả Áp suất dầu cung cấp lực xoay cho bộ điều khiển này, đồng thời van điều khiển dầu phối khí trục cam giúp điều chỉnh hướng đi của dầu.
2.1.2.1 Bộ điều khiển Dual VVT-i
Mỗi bộ điều khiển Dual VVT-i bao gồm một vỏ được dẫn động bởi xích cam và các cánh gạt được cố định trên trục cam nạp và xả.
Cả hai bên nạp và xả đều được trang bị cánh gạt bốn cánh Áp suất dầu từ trục cam nạp và xả sẽ điều khiển các cánh gạt của bộ điều khiển Dual VVT-i, giúp thay đổi liên tục thời điểm phối khí của trục cam, tối ưu hóa hiệu suất động cơ.
Khi động cơ ngừng hoạt động, chốt khóa sẽ giữ cho trục cam nạp ở vị trí muộn nhất và trục cam xả ở vị trí sớm nhất, đảm bảo quá trình khởi động diễn ra đúng cách Bộ điều khiển Dual VVT-i ở ống xả được trang bị lò xo trợ lực phía trước, lò xo này tạo ra mô men xoắn trước khi động cơ dừng, giúp đảm bảo sự ăn khớp của chốt khóa.
Khi động cơ khởi động, nếu áp suất dầu không được cung cấp ngay lập tức cho bộ điều khiển Dual VVT-i, chốt hãm sẽ ngăn chặn các cơ cấu hoạt động của bộ điều khiển này để tránh hiện tượng tiếng gõ.
Bộ điều khiển Dual VVT-i bên nạp
7 download by : skknchat@gmail.com
The Dual VVT-i intake control unit consists of several key components: the housing, which forms the body of the controller; the vane, which is fixed to the intake camshaft; the lock pin that secures the mechanism; the sprocket that connects to the timing chain; and the intake camshaft itself This system operates by adjusting the oil pressure to switch between a locked state and an operational state, optimizing engine performance and efficiency.
Bộ điều khiển Dual VVT-i bên xả
The Dual VVT-i exhaust controller consists of several key components, including the Advance Assist Spring, which provides necessary support, and the fixed vane attached to the exhaust camshaft that optimizes airflow Additionally, the exhaust camshaft plays a crucial role in regulating engine performance by controlling the timing of exhaust valve openings.
2.1.2.2 Van điều khiển dầu phối khí trục cam
8 download by : skknchat@gmail.com
Cấu tạo Van điều khiển dầu phối khí trục cam
The Dual VVT-i Controller operates on both the advanced and retarded sides, utilizing components such as springs and spool valves The oil control valve on the drain side allows for the reversal of early and late timing adjustments.
Hệ thống VANOS
Hệ thống điện điều khiển gồm các modul điều khiển động cơ, có chức năng kích hoạt các van solenoid VANOS dựa trên biểu đồ chương trình được lưu trữ trong DME, thông qua các tín hiệu đầu vào.
Tốc độ động cơ Tải động cơ
Nhiệt độ nước làm mát Vị trí trục cam
Tùy thuộc vào loại hệ thống VANOS mà sử dụng solenoid loại on/off hay điều độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation)
Loại Loại Điều chỉnh vô Solenoid động cơ VANOS cấp
M50TU Single Không 1 Solenoid on/off
9 download by : skknchat@gmail.com
M52 Single Không 1 Solenoid on/off
M52TU Double Có 2 Solenoid pwm
S52 Single Không 1 Solenoid on/off
M62TU Single Có 2 Solenoid pwm
S62 Double Có 8 Solenoid pwm+1 pwm
S85 Double Có 4 Solenoid pwm+1 pwm
Hệ thống điều khiển thủy lực bao gồm bơm dầu, tạo áp lực lên pittông van solenoid, điều khiển dòng dầu đến bộ chấp hành cơ khí của hệ thống VANOS, từ đó điều chỉnh vị trí trục cam.
Hệ thống điều khiển cơ khí:
Bánh răng nghiêng của đĩa xích và trục then hoa
10 download by : skknchat@gmail.com
Các chi tiết hệ thống điều khiển cơ khí
Đĩa xích được dẫn động bởi trục khuỷu động cơ và không gắn cứng với trục cam mà liên kết qua then hoa Bánh răng nghiêng trên đĩa xích ăn khớp với bánh răng nghiêng của trục then hoa Trục cam liên kết với trục then hoa bằng bánh răng thẳng Trục then hoa có khả năng di chuyển dọc trục nhờ áp suất thủy lực, làm thay đổi vị trí tương đối của trục cam với đĩa xích Độ thay đổi này phụ thuộc vào hướng nghiêng ban đầu của trục then hoa và bánh răng đĩa xích Tất cả các hệ thống VANOS hoạt động dựa trên nguyên lý tương tự.
11 download by : skknchat@gmail.com
Nguyên lí hoạt động
Hệ thống Dual VTT-i
3.1.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống Dual VVT-i
Trong quá trình hoạt động, các cảm biến vị trí trục khuỷu, bướm ga và lưu lượng khí nạp cung cấp dữ liệu quan trọng cho ECU để tính toán thông số phối khí Cảm biến nhiệt độ nước làm mát động cơ hỗ trợ hiệu chỉnh, trong khi cảm biến vị trí trục cam và trục khuỷu cung cấp thông tin về tình trạng phối khí thực tế Dựa trên các yếu tố này, ECU tổng hợp lệnh phối khí tối ưu cho buồng đốt, quyết định góc đóng mở của các xupap chỉ trong vài phần nghìn giây Áp lực dầu điều chỉnh vị trí bộ điều khiển phối khí, mở xupap vào thời điểm thích hợp, cho phép Dual VVT-i điều chỉnh vô cấp hoạt động của các góc phối khí xupap, thay thế hệ thống cam kiểu cũ.
Cảm biến đo nồng độ oxy được lắp đặt ở ống góp xả giúp xác định tỷ lệ phần trăm nhiên liệu được đốt cháy Thông tin từ cảm biến này được gửi đến ECU và được sử dụng để điều chỉnh chế độ nạp và xả, nhằm tối ưu hóa hiệu suất động cơ, tiết kiệm nhiên liệu và bảo vệ môi trường.
The Dual VVT-i system operates by utilizing the Vehicle Speed Signal to determine the Target Valve Timing, allowing for precise engine performance It incorporates Correction mechanisms to adjust the Actual Valve Timing, ensuring optimal efficiency The system also features Duty Cycle Control to manage the operation effectively, alongside the Camshaft Timing Oil Control Valve, which regulates oil flow for enhanced timing accuracy.
12 download by : skknchat@gmail.com
3.1.2 Nguyên lí hoạt động Dual VVT-i
Bộ điều khiển Dual VVT-i điều chỉnh trục cam nạp dựa trên áp suất dầu, nhằm tối ưu hóa thời điểm phối khí ECU động cơ xác định thời điểm mở và đóng van dựa vào tốc độ động cơ, lưu lượng khí nạp, vị trí bướm ga và nhiệt độ nước làm mát, từ đó điều khiển van dầu phối khí trục cam Ngoài ra, ECU sử dụng tín hiệu từ cảm biến vị trí trục cam và cảm biến vị trí trục khuỷu để tính toán và điều chỉnh thời điểm phối khí chính xác.
Van điều khiển dầu phối khí trục cam được điều khiển bởi ECU động cơ thông qua tỷ lệ hiệu dụng và điều xung PWM, nhằm kiểm soát vị trí van ống và phân phối áp suất dầu đến bộ điều khiển Dual VVT-i, giúp điều chỉnh thời gian mở xupap nạp Khi động cơ ngừng hoạt động, góc mở xupap nạp sẽ được giữ ở mức muộn tối đa Van điều phối này kiểm soát áp suất dầu đến bộ điều khiển Dual VVT-i dựa trên độ lớn dòng điện từ ECU động cơ.
3.1.2.1 Phương pháp thay đổi thời điểm phối khí
Hệ thống điều khiển thời điểm phối khí được thiết kế để xoay trục cam theo góc quay của trục khuỷu, nhằm tối ưu hóa thời điểm phối khí cho các điều kiện hoạt động của động cơ Quá trình này dựa trên tín hiệu từ các cảm biến để đảm bảo hiệu suất tốt nhất cho động cơ.
Sơ đồ điều khiển van biến thiên liên tục Retard (Làm muộn thời điểm phối khí); Advance (Làm sớm thời điểm phối khí)
Làm sớm thời điểm phối khí
Khi van điều khiển dầu phối khí trục cam được đặt đúng vị trí, bộ ECU động cơ sẽ điều chỉnh áp suất dầu để tác động lên khoang cánh gạt, nhằm làm sớm thời điểm phối khí và quay trục cam về hướng làm sớm thời điểm phối khí.
13 download by : skknchat@gmail.com
Tín hiệu điều khiển từ ECU đến van điều khiển dầu phối khí trục cam (PWM)
Làm sớm thời điểm phối khí bên nạp Rotation Direction (Hướng quay)
Làm sớm thời điểm phối khí bên nạp
Làm muộn thời điểm phối khí
Khi ECU điều chỉnh van kiểm soát thời điểm phối khí trục cam, áp suất dầu sẽ tác động lên khoang cánh gạt, làm muộn thời điểm phối khí và quay trục cam theo hướng làm muộn thời điểm phối khí.
14 download by : skknchat@gmail.com
Tín hiệu điều khiển từ ECU đến van điều khiển dầu phối khí trục cam (PWM)
Làm muộn thời điểm phối khí bên nạp
Làm muộn thời điểm phối khí bên xả
ECU động cơ xác định góc phối khí chuẩn dựa trên tình trạng vận hành Sau khi thiết lập thời điểm phối khí chuẩn, van điều khiển dầu phối khí trục cam sẽ giữ đường dầu đóng, nhằm duy trì thời điểm phối khí hiện tại Quá trình này điều chỉnh thời gian phối khí một cách hiệu quả.
15 download by : skknchat@gmail.com gian van ở vị trí mục tiêu mong muốn và ngăn không cho dầu động cơ cạn kiệt khi không cần thiết.
Tín hiệu điều khiển từ ECU đến van điều khiển dầu phối khí trục cam (PWM)
3.1.3.2 Điều khiển thời điểm phối khí
Hệ thống phân phối khí thông minh Dual VVT-i trên các động cơ hiện đại cho phép điều chỉnh pha phân phối khí trong một phạm vi nhất định, giúp động cơ hoạt động hiệu quả ở mọi chế độ Trong chế độ chạy không tải, công suất chỉ đủ để thắng lực ma sát, dẫn đến tốc độ động cơ thấp và nguy cơ chết máy khi tăng tải bất ngờ Để cải thiện tình trạng này, tỉ lệ hòa khí nạp vào xylanh cần đậm hơn, đồng thời việc thải khí cần được thực hiện sạch sẽ để giảm khí sót Điều chỉnh pha phân phối khí trễ hơn giúp thải khí cháy hiệu quả, giảm khí xả chạy ngược lại phía nạp, từ đó ổn định chế độ không tải và nâng cao tính kinh tế nhiên liệu.
Chế độ chạy không tải
16 download by : skknchat@gmail.com
Khi ở chế độ tải nhẹ (Range 2), áp suất trong ống góp hút rất thấp, dẫn đến khả năng hút khí xả từ ống góp xả Do đó, thời điểm phối khí của trục cam nạp cần được điều chỉnh để trễ lại, đồng thời giảm độ trùng điệp của xupap Những thay đổi này giúp ổn định tốc độ động cơ.
Chế độ tải trung bình (Range 3) của động cơ được tối ưu hóa bằng cách điều chỉnh pha phân phối khí sớm và tăng độ trùng lặp xupap, nhằm nâng cao tuần hoàn khí thải (EGR) Sự cải thiện này không chỉ giảm ô nhiễm khí xả mà còn tăng cường tính tiết kiệm nhiên liệu và hiệu suất làm việc của động cơ.
Chế độ tải trung bình
Trong dải tốc độ thấp đến trung bình với tải nặng, áp suất trên đường ống nạp tăng cao do động cơ hoạt động ở tốc độ thấp Để tối ưu hóa hiệu suất thể tích nạp, xupap nạp cần được đóng sớm, giúp cải thiện mômen xoắn trong dải tốc độ này.
Tốc độ thấp tới trung bình với tải nặng
17 download by : skknchat@gmail.com
Trong điều kiện tốc độ cao với tải nặng (Phạm vi 5), việc làm chậm thời điểm đóng xupap nạp giúp tận dụng quán tính của dòng khí nạp tốc độ cao, từ đó nâng cao hiệu suất thể tích nạp Điều này góp phần cải thiện công suất đầu ra của động cơ.
Tốc độ cao với tải cao
Khi nhiệt độ động cơ giảm, việc điều chỉnh góc trùng điệp xupap là cần thiết để ngăn chặn hiện tượng cháy xấu, đồng thời giúp ổn định tốc độ không tải nhanh hơn và tiết kiệm nhiên liệu hiệu quả hơn.
Khi nhiệt độ động cơ thấp
Khi khởi động hoặc khi động cơ ngừng, góc trùng điệp ở vị trí nhỏ nhất để cải thiện tính khởi động và cho lần khởi động tiếp theo.
Khi khởi động hoặc khi động cơ ngừng
Giản đồ thời điểm phối khí trên động cơ 2AR-FE
18 download by : skknchat@gmail.com
Giản đồ thời điểm phối khí trên động cơ 2ZR-FE
Hệ thống VANOS
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 pittông Khi áp lực thủy lực tác dụng lên pittông sẽ làm trục này di chuyển dọc trục.
Cấu tạo cơ cấu VANOS
Vanos được thiết lập để làm trễ thời điểm phối khí bằng cách tác động dòng dầu lên mặt sau của pittông, kéo trục cam sang trái Khi trục B di chuyển sang trái, góc phối khí sẽ thay đổi theo hướng làm trễ thời điểm phối khí.
19 download by : skknchat@gmail.com
Làm trễ thời điểm phối khí
Giữ nguyên thời điểm phối khí: 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 độ rộng xung (thời gian on, duty cycle) mà DME gửi tới solenoid sẽ quyết định áp lực dầu tác động lên pittông, từ đó điều chỉnh thời điểm phối khí, giúp tạo ra sự trễ, sớm hoặc giữ nguyên thời gian này.
Ưu và nhược điểm của hệ thống
Bảng so sánh
Tên hệ thống Dual VVT-i VANOS Dual VVT-iE
Lexus nổi bật với động cơ hoạt động êm ái và nhẹ nhàng, mang lại mô-men xoắn cao ở tốc độ thấp và trung bình Hệ thống này cho phép điều chỉnh công suất động cơ một cách hiệu quả, giúp tiết kiệm nhiên liệu tối đa mà không ảnh hưởng đến hiệu năng Sự kết hợp giữa điều khiển trục cam và công nghệ điện - thủy giúp tăng cường tính tiết kiệm và hiệu suất làm việc của động cơ.
-Trong quá trình do tối ưu hóa góc kiểm hoạt phối khí soát tốt hơn mức
Giảm ô nhiễm từ động cơ không chỉ tối ưu hóa khí thải mà còn nâng cao hiệu suất hoạt động của động cơ Việc cải thiện mức độ tiêu thụ nhiên liệu và ổn định công suất sẽ giúp giảm thiểu khí độc hại sinh ra trong quá trình cháy Bên cạnh đó, nhiệt độ dầu cũng được giảm đáng kể, góp phần nâng cao hiệu quả hoạt động tổng thể của động cơ.
Hệ thống điều khiển ECU đã tối ưu hóa tốc độ xử lý và nâng cao tính năng hoạt động của động cơ, giúp khả năng gia tốc trở nên nhạy bén và mạnh mẽ hơn so với các dòng xe không trang bị hệ thống này.
Nhược điểm - Kết cấu phức - Mô men xoắn và - Giá thành cao tạp nên công việc nâng cấp hệ suất ở đầu ra thấp thống - Hệ thống phức
Dual VVT-i cho tạp dẫn đến việc
21 download by : skknchat@gmail.com các dòng xe không trang bị hệ thống này là không thể.
- Nhiều cơ cấu chi tiết hơn nên thường xảy ra hư hỏng, chi phí bảo dưỡng sửa chữa cao hơn.
- Phụ thuộc vào sự tuần hoàn của dầu. khó bảo dưỡng và sửa chữa
Sơ lượt về hệ thống Dual VVT-iE của Lexus
Hệ thống Dual VVT-iE (Variable Valve Timing - intelligent by Electric motor) là phiên bản nâng cấp của Dual VVT-i, sử dụng động cơ điện để điều khiển thời gian cam nạp, trong khi cam xả vẫn được điều khiển bằng thủy lực Được giới thiệu lần đầu tiên trên động cơ 1UR-FE của Lexus LS 460 vào năm 2007, hệ thống này mang lại hiệu suất tối ưu hơn cho động cơ.
Hệ thống Dual VVT-iE trên động cơ 1UR-FSE
Động cơ điện dẫn động trục cam nạp hoạt động đồng bộ với tốc độ trục cam để duy trì thời gian mở van Để điều chỉnh thời điểm mở van, ECU có thể điều khiển động cơ điện quay nhanh hơn hoặc chậm hơn một chút so với trục cam, giúp mở van sớm hoặc muộn theo yêu cầu.
Lịch sử cải tiến
Hệ thống Dual VVT-i
5.1.1 Quá trình cải tiến VVT thành Dual VVT- i *VVT thế hệ I (1991-2001)
Hệ thống VVT hoạt động đơn giản tại vòng quay cố định 4400 vòng/phút trên động cơ 20 xupap 4AGE, khi tín hiệu từ ECU kích hoạt van điều khiển dầu phối khí trục cam mở Áp suất dầu đi qua đường đặc biệt trong cam nạp, tới bộ điều khiển VVT, nơi có một piston nhỏ Áp suất dầu đẩy piston ra phía sau, điều chỉnh pully bên ngoài tương ứng với phần bên trong nhờ vào thiết kế then hình trôn ốc Khi ECU kích hoạt bộ điều khiển VVT, van điều khiển dầu mở, dẫn đến việc bộ điều khiển VVT hoạt động sớm hơn 30 độ so với góc quay trục khuỷu, tức là sớm hơn 15 độ so với chính nó.
23 download by : skknchat@gmail.com
Sơ đồ điều khiển van biến thiên liên tục
Hệ thống truyền động điều khiển bằng dây đai cho cả hai trục cam, kết hợp với cơ cấu điều phối van biến thiên hai giai đoạn, sử dụng bộ điều khiển VVT trên trục cam nạp, được áp dụng cho động cơ 4AGE loại 91 màu bạc và loại 95 màu đen.
Cơ cấu VVT cổ điển
VVT-i, viết tắt của Variable Valve Timing – Intelligent, là công nghệ van biến thiên thông minh của Toyota, hoạt động dựa trên nguyên lý điện - thủy lực Hệ thống VVT-i đã thay thế công nghệ VVT cũ, vốn sử dụng hệ thống pha cam điều khiển bằng thủy lực hai giai đoạn, và được giới thiệu từ năm.
1991 trên động cơ 4A-GE 5 van mỗi xi lanh.
Hệ thống VVT-i được giới thiệu lần đầu trên động cơ 1JZ-GTE và 2JZ-GTE vào năm 1996, cho phép điều chỉnh thời gian mở van nạp thông qua việc thay đổi mối quan hệ giữa bộ truyền động trục cam và trục cam nạp Việc sử dụng áp suất dầu động cơ để điều chỉnh vị trí trục cam giúp tối ưu hóa hiệu suất động cơ bằng cách cải thiện thời gian trùng lặp giữa đóng van xả và mở van nạp Các biến thể của hệ thống VVT-i bao gồm VVTL-i, Dual VVT-i, VVT-iE, VVT-iW và Valvematic, cung cấp nhiều tùy chọn cho hiệu suất động cơ.
Thiết bị này được thiết kế để tối ưu hóa thời điểm phối khí bằng cách điều chỉnh vị trí của trục cam trong khoảng 40 đến 60 độ so với trục khuỷu, dựa trên tín hiệu từ các cảm biến, nhằm cải thiện hiệu suất hoạt động của động cơ.
Sơ đồ điều khiển van biến thiên liên tục
Hệ thống truyền động điều khiển bằng dây đai cho cả hai trục cam, cùng với cơ cấu điều phối van biến thiên liên tục, được trang bị bộ điều khiển VVT-I trên trục cam nạp Công nghệ này được áp dụng cho các động cơ như 1JZGE loại 96, 2JZ-GE loại 95, 1JZ-GTE loại 00 và 3S-GE loại 97.
Hệ thống VVT-i trên động cơ JZ
1 – Bộ điều khiển VVT-i, 2 - Van điều khiển dầu phối khí trục cam, 3 - Cảm biến vị trí trục cam, 4 -
Cảm biến vị trí trục khuỷu
Truyền động điều khiển bằng dây đai và bánh răng giữa các trục cam là công nghệ quan trọng trong cơ cấu điều phối van biến thiên, đặc biệt với bộ điều khiển VVT-i được lắp đặt ở phía trước hoặc phía sau trục cam Công nghệ này được áp dụng cho các động cơ như 1MZ-FE loại 97, 3MZ-FE, 3S-FSE, 1JZ-FSE, 2JZ-FSE, 1G-FE loại 98, 1UZ-FE loại 97, 2UZ-FE loại 05 và 3UZ-FE, giúp tối ưu hóa hiệu suất động cơ và tiết kiệm nhiên liệu.
25 download by : skknchat@gmail.com
Hệ thống VVT-i trên động cơ MZ
1 - cảm biến vị trí bướm ga, 2 - cảm biến vị trí trục cam, 3 - van điều khiển dầu phối khí trục cam,
4 - cảm biến nhiệt độ nước, 5 - cảm biến vị trí trục khuỷu
Bộ điều khiển VVT-i trên động cơ
Truyền động điều khiển bằng xích cho cả hai trục cam là một phần quan trọng trong cơ cấu điều phối van biến thiên VVT-i, được lắp đặt trên đĩa xích của trục cam nạp Hệ thống này được áp dụng cho các động cơ NZ, AZ, ZZ, SZ, KR và 1GR-FE loại 04, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của động cơ.
Hệ thống VVT-i trên động cơ AZ
1 - van điều khiển dầu phối khí trục cam, 2 - cảm biến vị trí trục cam, 3 - cảm biến nhiệt độ nước, 4 - cảm biến vị trí trục khuỷu, 5 - bộ điều khiển VVT-i
26 download by : skknchat@gmail.com
Hệ thống VVTL-i là sự phát triển từ hệ thống VVT-i, sử dụng cơ cấu đổi vấu cam để điều chỉnh hành trình của van nạp và van xả Hệ thống này lần đầu tiên được giới thiệu trên động cơ 2ZZ-GE của xe Toyota Celica vào năm 2000.
Hệ thống VVTL-i cho phép đạt công suất cao mà vẫn giữ được tính kinh tế về nhiên liệu và giảm thiểu ô nhiễm khí thải Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hệ thống này tương tự như VVT-i, với khả năng chuyển đổi giữa hai vấu cam có hành trình khác nhau để điều chỉnh hành trình van ECU động cơ thực hiện việc chuyển đổi này thông qua van điều khiển dầu VVTL, dựa trên tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ nước làm mát và cảm biến vị trí trục khuỷu.
Hệ thống VVTL-i có cấu trúc tương tự như hệ thống VVT-i, nhưng được trang bị các bộ phận đặc biệt như van điều khiển dầu VVTL và các trục cam, cò mổ.
Hệ thống Dual VVT-i được phát triển từ hệ thống VVT-i của hãng Toyota.
Hệ thống Dual VVT-i, lần đầu tiên được Toyota giới thiệu trên động cơ 3S-GE vào năm 1998, điều chỉnh thời gian đóng mở van nạp và xả, và đã được áp dụng trên động cơ V6 2GR-FE vào năm 2005 Công nghệ này hiện đang được sử dụng rộng rãi trên các động cơ của Toyota và Lexus Với cấu trúc và hoạt động tương tự như hệ thống VVT-i, Dual VVT-i giúp tối ưu hóa quá trình nạp và xả, từ đó tăng công suất tối đa, giảm khí thải, tiết kiệm nhiên liệu và kéo dài tuổi thọ động cơ.
5.1.2 Quá trình cải tiến Dual VVT-i thành các hệ thống khác
Valvematic là công nghệ kết hợp Dual VVT-i với hệ thống nâng van biến thiên liên tục, giúp điều chỉnh nâng van và thời gian Công nghệ này cải thiện hiệu quả nhiên liệu bằng cách kiểm soát lượng nhiên liệu và không khí thông qua việc điều khiển van, thay vì chỉ dựa vào các phương pháp truyền thống.
Công nghệ kiểm soát tấm ga thông thường, được phát triển lần đầu vào năm 2007 trên tàu Noah và tiếp tục được áp dụng vào đầu năm 2009 trong dòng động cơ ZR trên tàu Avensis, mang đến thiết kế đơn giản hơn so với Valvetronic và VVEL Hệ thống này cho phép đầu xi lanh giữ nguyên chiều cao, được sử dụng trên các động cơ 1ZR-FAE, 2ZR-FAE và 3ZR-FAE.
Hệ thống Valvematic trên động cơ
Bộ truyền động VVT (Variable Valve Timing) bao gồm các thành phần chính như bộ truyền động VVT cho xả và nạp, trục cam xả và trục cam nạp Hệ thống này còn có bộ điều khiển van, bộ điều chỉnh và bộ điều chỉnh mi, cùng với các van nạp và van xả Để đảm bảo hoạt động hiệu quả, bộ phận xả xích và bộ phận giảm tốc độ căng cũng rất quan trọng, bên cạnh đó là bộ căng thủy lực giúp duy trì áp lực và độ chính xác trong quá trình vận hành.
Valvematic cho phép điều khiênr nâng van nạp trong khoảng 0,9 đến10,9 mm Theo đó, thời gian mở van thay đổi trong khoảng 106 độ đến 260 (góc quay trục khuỷu).
Sơ đồ điều khiển van biến thiên liên tục
28 download by : skknchat@gmail.com
Hệ thông VANOS
Hệ thống VANOS trên động cơ BMW là công nghệ điều chỉnh thời điểm mở xupap bằng cách thay đổi vị trí tương đối giữa trục cam và trục khuỷu Hệ thống này cho phép xoay trục cam lên đến 400 độ so với góc quay của trục khuỷu và điều chỉnh liên tục để tối ưu hóa hiệu suất động cơ trong mọi điều kiện hoạt động Khác với các hệ thống của các hãng khác, VANOS kết hợp giữa cơ khí và thủy lực, được quản lý bởi DME - hệ thống điều khiển động cơ của xe.
Single VANOS, được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1992 trên động cơ BMW M50, điều chỉnh vị trí của trục cam nạp dựa vào tốc độ động cơ và vị trí bàn đạp ga Ở tốc độ thấp, xupap nạp mở trễ để duy trì chế độ cầm chừng ổn định Tại tốc độ trung bình, xupap nạp mở sớm hơn nhằm tăng góc trùng điệp, tạo hiệu ứng EGR, từ đó tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải ô nhiễm Ở tốc độ động cơ cao, xupap nạp lại mở trễ để tối đa hóa công suất động cơ.
Double VANOS: được sử dụng đầu tiên trên động cơ S50B32 vào năm
1996 sau đó là động cơ 6 xylanh M52TU điều chỉnh vị trí của cả trục
32 download by : skknchat@gmail.com cam nạp và trục cam xả so với trục khuỷu Trục cam nạp có thể thay đổi
Hệ thống trục cam 400 và trục cam xả 250 kết hợp hài hòa để tối ưu hóa hiệu suất Công nghệ Double VANOS kéo dài thời gian mở của xupap lên hơn 120 độ và tăng độ nâng xupap thêm 0,9mm Tuy nhiên, để đảm bảo việc điều chỉnh nhanh chóng và chính xác, hệ thống này cần áp suất thủy lực lớn.
Ảnh hưởng của hệ thống đến các kỹ thuật sử dụng trên động cơ.33
Hệ thống Dual VVT-i
Hệ thống Dual VVT-i đã thay thế van tuần hoàn khí thải (EGR) bằng cách kiểm soát thời gian khí trơ trong buồng, giúp tối ưu hóa chu trình đốt cháy Điều này không chỉ cải thiện kiểm soát nhiệt độ đốt cháy mà còn giảm thiểu sản xuất NOx, mang lại hiệu suất động cơ tốt hơn.
Không có van tuần hoàn khí thải (EGR) Van có hệ thống Dual VVT-i
Hệ thống VANOS
Xu hướng phát triển ô tô hiện đại hiện nay tập trung vào việc nâng cao tốc độ tối đa từ 180-250 km/h lên 250-330 km/h, đồng thời giảm thiểu tiêu hao nhiên liệu Các giải pháp để tăng tốc độ động cơ bao gồm việc điều khiển pha phối khí và áp dụng công nghệ thay đổi hành trình xupap thông minh.
33 download by : skknchat@gmail.com
Xu hướng phát triển ô tô hiện đại hiện nay tập trung vào việc tăng tốc độ cực đại từ 180-330 km/h đồng thời giảm tiêu hao nhiên liệu Để đạt được mục tiêu này, các giải pháp như điều khiển pha phối khí và thay đổi hành trình xupap thông minh đang được áp dụng Nhiều hãng xe lớn trên thế giới đã triển khai công nghệ này, với các hệ thống như VVTL-i của Toyota, VTEC của Honda, MIVEC của Mitsubishi, VALVETRONIC của BMW và VVEL của Nissan, khẳng định tầm quan trọng của việc tối ưu hóa hiệu suất động cơ.
Tình hình sử dụng hiện tại và tương lai ở Việt Nam và thế giới
Hệ thống Dual VVT-i
Công nghệ Dual VVT-i hiện đang được áp dụng trên các dòng xe Toyota như Camry, Altis, Prado và Landcruiser thế hệ mới Trong tương lai, công nghệ này cũng sẽ được tích hợp vào các dòng xe Vios.
Toyota Vios là mẫu sedan hạng nhỏ phổ biến nhất tại Việt Nam, thuộc phân khúc xe cá nhân gia đình Kể từ đầu năm 2017, Vios luôn nằm trong top những mẫu xe bán chạy nhất thị trường Xe được trang bị động cơ 1.5L Dual VVT-i tiên tiến, với công suất tối đa 107Hp tại 600 rpm và mô men xoắn cực đại 140Nm tại 4200 rpm, đáp ứng tiêu chuẩn khí thải Euro 4.
Toyota Yaris là mẫu xe hatchback cỡ nhỏ được ưa chuộng tại Việt Nam, tương tự như Toyota Vios Xe được trang bị động cơ 1.5L mới với công nghệ DOHC và Dual VVT-i, đi kèm với hộp số tự động vô cấp, đáp ứng tiêu chuẩn khí thải Euro 4.
34 download by : skknchat@gmail.com
Toyota Corolla Altis là một mẫu xe Sedan hạng nhỏ cao cấp, đã được giới thiệu trên toàn cầu từ năm 1966 Với doanh số ấn tượng lên tới 80 triệu xe, Corolla đã trở thành một biểu tượng trong ngành ô tô, mang đến sự hài lòng cho khách hàng trên khắp thế giới.
Xe được trang bị động cơ tiên tiến với công nghệ Dual VVT-i và trục cam kép DOHC, đạt tiêu chuẩn khí thải Euro 4 Phiên bản 1.8L mang lại công suất tối đa 138Hp tại 6400rpm và mô-men xoắn tối đa 173Nm tại 4000rpm.
Toyota Camry 2017 vừa ra mắt tại Việt Nam, đánh dấu thế hệ thứ 8 của mẫu sedan trung cao cấp nổi tiếng toàn cầu Tại thị trường Việt, Camry được lắp ráp trong nước và trang bị hộp số tự động 6 cấp, sử dụng động cơ 2.5L đạt tiêu chuẩn khí thải Euro 4 Phiên bản Q và G của Camry có công suất cực đại 178Hp tại 6000 rpm và momen xoắn tối đa 231Nm tại 4100 rpm, với công nghệ động cơ Dual VVT-i, DOHC và ACIS.
Hệ thống VANOS
Công nghệ Vanos hiện đang được trang bị trên nhiều dòng xe của BMW, bao gồm BMW M5, BMW 760 E66, BMW 325i E46, BMW series 3 và BMW series 5 Trong tương lai, công nghệ này cũng sẽ được áp dụng cho các mẫu xe như BMW X3, BMW M3 và BMW M4.
Thế hệ động cơ xăng động lực kép mới nhất của BMW mang đến khả năng cung cấp năng lượng nhanh chóng và độ nhạy chân ga tuyệt vời ngay cả ở vòng tua thấp Động cơ này không chỉ hiệu quả hơn và ít phát thải hơn, mà còn có hiệu năng tốt hơn so với các thế hệ trước Sự kết hợp giữa công nghệ phun nhiên liệu tiên tiến và hệ thống điều khiển trục cam biến thiên thông minh, bao gồm cả hệ thống Double-VANOS, cùng với công nghệ tăng áp hiện đại, đánh dấu một bước đột phá trong chiến lược BMW EfficientDynamics Nhờ vào những cải tiến này, động cơ BMW trở nên đặc biệt hiệu quả và đã nhiều lần được vinh danh với giải thưởng Động cơ của năm, khẳng định danh tiếng với các đặc tính như chuyển giao năng lượng năng động, vận hành mượt mà và hiệu suất ấn tượng.
35 download by : skknchat@gmail.com
Công nghệ BMW EfficientDynamics đã giới thiệu nhiều ý tưởng công nghệ tiên phong, được áp dụng và chứng minh hiệu quả trong hầu hết các động cơ xăng.
Hệ thống phân phối khí thông minh Dual VVT-i của Toyota và VANOS của BMW là hai công nghệ tiên tiến trong ngành ô tô, mỗi hệ thống có cấu tạo và nguyên lý hoạt động riêng biệt Bài viết phân tích ưu và nhược điểm của Dual VVT-i và VANOS, đồng thời điểm qua lịch sử cải tiến của các hệ thống này, nhằm cung cấp cái nhìn tổng quan về sự phát triển và hiệu quả của chúng trong việc tối ưu hóa hiệu suất động cơ.
Kết quả mang lại cho động cơ bao gồm tiết kiệm nhiên liệu, giảm ô nhiễm khí thải nhờ vào thời điểm phân phối khí phù hợp, và việc thay đổi thời điểm phối khí hợp lý giúp tăng cường công suất cũng như moment xoắn của động cơ.
Bài tiểu luận chưa thể đi sâu vào nghiên cứu toàn diện tất cả các hệ thống của các hãng xe trên thị trường để so sánh với hệ thống Dual VVT-i và VANOS do hạn chế về thời gian Ngoài ra, nghiên cứu chỉ dừng lại ở lý thuyết mà chưa tiến hành thí nghiệm hoặc xây dựng mô hình thực tế, do đó chưa thể làm rõ các kết quả đạt được.
36 download by : skknchat@gmail.com