Lí do sử dụng công nghệ
Hệ thống Dual VVT-i
Động cơ ô tô hoạt động với tốc độ thay đổi, mỗi tốc độ có thông số thời điểm, độ nâng và thời gian mở xupap khác nhau Đối với động cơ cổ điển, pha phân phối khí được tối ưu hóa cho một số vòng quay nhất định, nhưng không thể điều chỉnh độ nâng xupap Nếu tối ưu ở tốc độ thấp, hiệu quả đốt nhiên liệu giảm khi động cơ hoạt động ở tốc độ cao, dẫn đến công suất bị giới hạn Ngược lại, nếu tối ưu ở tốc độ cao, động cơ sẽ hoạt động kém ở tốc độ thấp Để khắc phục những hạn chế này, hệ thống phân phối khí hiện đại ra đời, cho phép điều chỉnh thời điểm mở, độ mở và thời gian mở xupap theo từng tốc độ động cơ, nhằm nạp đầy hòa khí vào buồng đốt và xả sạch khí cháy Mỗi hãng xe phát triển công nghệ riêng cho việc thay đổi pha phân phối khí và độ nâng xupap, cải tiến qua từng giai đoạn.
Toyota đã phát minh ra hệ thống Dual VVT-i, cho phép điều chỉnh pha phân phối khí liên tục dựa trên tốc độ động cơ nhờ vào ECU Hệ thống này có khả năng thay đổi thời điểm phối khí, giúp tối ưu hóa hoạt động của động cơ Dual VVT-i là phiên bản nâng cấp, không chỉ điều phối van nạp mà còn cả van xả, mang lại nhiều lợi ích như tiết kiệm nhiên liệu, tăng công suất và giảm ô nhiễm khí thải Chính vì những cải tiến vượt trội này mà công nghệ Dual VVT-i được áp dụng rộng rãi trên các động cơ của Toyota.
Hệ thống VANOS
Cơ cấu VANOS, được gọi là DOPPER VANOS, điều khiển cả hai trục cam nạp và thải Bánh xích dẫn động từ trục khuỷu kết nối với trục then hoa, hoạt động nhờ áp suất dầu từ hệ thống bôi trơn với áp suất đạt 100 bar, cho phép trục then hoa chuyển động dọc trục Khi trục then hoa dịch chuyển, nó làm cho trục cam xoay một góc 600 độ so với bánh xích dẫn động trục cam, trong khi cam nạp của động cơ BMW dịch chuyển 600 độ và cam xả dịch chuyển 450 độ Cả hai trục cam đều xoay theo hướng mở muộn từ vị trí ban đầu, nhờ vào việc dẫn động từ trục khuỷu qua bánh xích VANOS kết hợp giữa thiết bị điều khiển cơ khí và hệ thống điều khiển 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 tương đối của trục cam nạp so với trục khuỷu, với Double_VANOS nâng cao khả năng điều chỉnh cho cả trục cam xupap nạp và xả Nhờ vào VANOS, việc điều khiển trục cam nạp trở nên linh hoạt hơn, phù hợp với mọi tốc độ động cơ và vị trí bàn đạp ga Ở tốc độ thấp, VANOS cải thiện chất lượng hoạt động của động cơ, trong khi ở tốc độ trung bình, việc mở sớm xupap nạp giúp tăng khả năng hút khí, từ đó giảm tiêu hao nhiên liệu và khí thải Cuối cùng, ở tốc độ cao, xupap nạp được điều khiển mở muộn hơn, tối ưu hóa công suất và mô men xoắn của động cơ, đồng thời tiết kiệm nhiên liệu hiệu quả.
Hệ thống điều chỉnh VANOS tối ưu hóa việc phân phối khí bằng cách điều chỉnh trục cam nạp và xả, cho phép kiểm soát thời điểm mở và đóng các xupap 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 giảm và công suất định mức của động cơ tăng, nâng cao hiệu quả kinh tế khi sử dụng.
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 trong khoảng 50 độ và 40 độ của góc trục khuỷu, giúp tối ưu hóa thời điểm phối khí theo tình trạng động cơ Nhờ đó, mô men xoắn được cải thiện ở mọi dải tốc độ, đồng thời nâng cao 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 lắp đặt ở đầu trục cam, giúp điều chỉnh thời gian hoạt động giữa trục cam và trục khuỷu thông qua một thiết bị truyền động thủy lực, mang lại hiệu suất tối ưu cho động cơ.
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.
Bơm và đường dẫn dầu, cùng với các cảm biến như 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, và cảm biến vị trí trục cam, đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát và tối ưu hóa hiệu suất động cơ Ngoài ra, tín hiệu tốc độ xe cũng là một yếu tố cần thiết để đảm bảo hoạt động an toàn và hiệu quả của phương tiện.
The Dual VVT-i system comprises several key components, including the Intake Camshaft Timing Oil Control Valve and the Exhaust Camshaft Timing Oil Control Valve, which manage the timing of the intake and exhaust camshafts Additionally, the system features the Intake and Exhaust Camshaft Position Sensors that monitor the positions of the camshafts, along with the Crankshaft Position Sensor that tracks the crankshaft's position The Engine Coolant Temperature Sensor ensures optimal engine temperature, while the Mass Air Flow Meter and Throttle Position Sensor regulate air intake and throttle position for improved engine performance.
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 Hệ thống này sử dụng áp suất dầu làm lực xoay cho bộ điều khiển, đồng thời van điều khiển dầu phối khí trục cam đảm nhận vai trò 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 phía trục cam nạp và xả sẽ điều chỉnh các cánh gạt của bộ điều khiển Dual VVT-i, cho phép thay đổi liên tục thời điểm phối khí của trục cam nạp và xả.
Khi động cơ dừng, chốt khóa sẽ giữ cho trục cam nạp ở vị trí muộn nhất và trục cam xả ở vị trí sớm nhất, đảm bảo động cơ khởi động đúng cách Bộ điều khiển Dual VVT-i phía ống xả được trang bị lò xo trợ lực ở phía trước, giúp tạo mô men xoắn trước khi động cơ dừng, từ đó đảm bảo sự ăn khớp của chốt khóa.
Khi động cơ khởi động, nếu áp suất dầu không đến bộ điều khiển Dual VVT-i ngay lập tức, chốt hãm sẽ ngăn chặn các cơ cấu hoạt động của bộ điều khiển này nhằm tránh hiện tượng tiếng gõ.
Bộ điều khiển Dual VVT-i bên nạp
The Dual VVT-i intake control unit consists of several key components: the housing, which encases the system; the vane, fixed to the intake camshaft; the lock pin, which secures the mechanism; the sprocket, responsible for timing; and the intake camshaft itself The unit operates by adjusting oil pressure, transitioning between a locked state and active operation to optimize engine performance.
Bộ điều khiển Dual VVT-i bên xả
The Dual VVT-i exhaust control system comprises several key components, including the Advance Assist Spring, which provides necessary support; the fixed vane attached to the exhaust camshaft, which plays a crucial role in regulating airflow; and the exhaust camshaft itself, which is essential for optimizing engine performance.
2.1.2.2 Van điều khiển dầu phối khí trục cam
Cấu tạo Van điều khiển dầu phối khí trục cam
The Dual VVT-i Controller features both an advanced side for early timing and a retarded side for delayed timing, utilizing components such as springs, drain systems, and spool valves It's important to note that the oil control valve for the drain side can reverse the early and late timing functions.
Hệ thống VANOS
Hệ thống điện điều khiển có vai trò quan trọng trong việc điều khiển động cơ, trong đó modul điều khiển động cơ kích hoạt các van solenoid VANOS dựa vào biểu đồ chương trình được lưu trữ trong DME, thông qua các tín hiệu đầu vào.
Nhiệt độ nước làm mát
Tùy thuộc vào loại hệ thống VANOS mà sử dụng solenoid loại on/off hay điều độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation)
Loại VANOS Điều chỉnh vô cấp
M50TU Single Không 1 Solenoid on/off
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, tác động lên pittông van solenoid để điều khiển dòng dầu Dòng dầu này ảnh hưởng đến bộ chấp hành cơ khí của hệ thống VANOS, từ đó thay đổi vị trí trục cam.
Hệ thống điều khiển cơ khí:
Bánh răng nghiêng của đĩa xích và trục then hoa
Các chi tiết hệ thống điều khiển cơ khí
Hệ thống VANOS bao gồm đĩa xích được dẫn động bởi trục khuỷu động cơ, trong đó đĩa xích không gắn cố định với trục cam mà liên kết thông qua then hoa Bánh răng nghiêng trên đĩa xích ăn khớp với bánh răng nghiêng của trục then hoa, trong khi trục cam kết nối với trục then hoa bằng bánh răng thẳng Trục then hoa có khả năng di chuyển dọc theo trục nhờ áp suất thủy lực, giúp thay đổi vị trí tương đối giữa trục cam và đĩa xích Độ thay đổi góc phụ thuộc vào hướng nghiêng ban đầu của trục then hoa và bánh răng đĩa xích, và bộ chấp hành cơ khí trong tất cả các hệ thống VANOS hoạt động theo nguyên lý tương tự.
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 như vị trí trục khuỷu, vị trí bướm ga và lưu lượng khí nạp cung cấp dữ liệu quan trọng cho ECU nhằm tính toán thông số phối khí Cảm biến nhiệt độ nước làm mát động cơ cung cấp dữ liệu 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 trong vài phần nghìn giây, quyết định góc đóng mở của các xupap Áp lực dầu cũng ảnh hưởng đến vị trí bộ điều khiển phối khí, mở các xupap tại thời điểm thích hợp, cho phép Dual VVT-i điều chỉnh linh hoạt 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 này được truyền về ECU và được xử lý đồng bộ để tối ưu hóa chế độ nạp và xả, từ đó 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 Correction of the Actual Valve Timing This process involves Duty Cycle Control to optimize performance, while the Camshaft Timing Oil Control Valve manages the oil flow for effective valve operation.
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, giúp tối ưu hóa thời điểm phối khí ECU động cơ xác định thời gian mở và đóng van phù hợp với các điều kiện hoạt động như tốc độ động cơ, lưu lượng khí nạp, vị trí bướm ga và nhiệt độ nước làm mát Ngoài ra, ECU sử dụng tín hiệu từ cảm biến vị trí trục cam và trục khuỷu để tính toán và điều chỉnh thời điểm phối khí chính xác.
Van điều khiển dầu phối khí trục cam hoạt động theo sự điều khiển từ ECU động cơ, sử dụng tỷ lệ hiệu dụng và điều xung PWM để điều chỉnh vị trí van ống và phân phối áp suất dầu đến bộ điều khiển Dual VVT-i, nhằm điều chỉnh thời điểm mở xupap nạp Khi động cơ ngừng hoạt động, góc mở xupap nạp được giữ ở mức muộn tối đa Van điều phối kiểm soát áp suất dầu đến bộ điều khiển Dual VVT-i tương ứng với cường độ 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, đảm bảo hiệu suất hoạt động 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 Điều này giúp thay đổi thời điểm phối khí, quay trục cam về hướng làm sớm thời điểm phối khí, từ đó cải thiện hiệu suất động cơ.
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 theo hình vẽ, áp suất dầu sẽ tác động lên khoang cánh gạt, dẫn đến việc làm muộn thời điểm phối khí.
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 duy trì đường dầu đóng, giúp giữ thời điểm phối khí hiện tại Điều này điều chỉnh thời gian van ở vị trí mục tiêu mong muốn và ngăn ngừa việc cạn kiệt dầu động cơ khi không cần thiết.
Tín hiệu điều khiển từ ECU đến van điều khiển dầu phối khí trục cam (PWM) 3.1.3.2Điều khiển thời điểm phối khí
Trên các động cơ hiện đại, hệ thống phân phối khí thông minh Dual VVT-i 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 không tải, công suất chỉ đủ để thắng lực ma sát, dẫn đến tốc độ động cơ thấp và dễ bị chết máy khi có tải bất ngờ Để cải thiện tình trạng này, cần điều chỉnh tỉ lệ hòa khí nạp vào xylanh động cơ đậm hơn và thải sạch khí thải, giảm khí sót, từ đó nâng cao hiệu suất làm việc Việc điều chỉnh pha phân phối khí trễ hơn giúp thải khí cháy ra ngoài hiệu quả, giảm khí xả ngược về phía nạp, ổn định chế độ không tải và cải thiện tính kinh tế nhiên liệu.
Chế độ chạy không tải
Khi động cơ hoạt động ở chế độ tải nhẹ (Range 2), áp suất trong ống góp hút rất thấp, dẫn đến hiện tượng hút khí xả từ ống góp xả Do đó, thời điểm phối khí của trục cam nạp cần được điều chỉnh để làm trễ lại, đồng thời giảm độ trùng điệp của xupap Những điều chỉnh này giúp ổn định tốc độ động cơ.
Chế độ tải trung bình (Range 3) của động cơ được điều chỉnh để pha phân phối khí sớm hơn và tăng độ trùng lặp xupap, từ đó cải thiện tuần hoàn khí thải (EGR) Sự điều chỉnh này không chỉ giúp giảm ô nhiễm khí xả mà còn nâng cao 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 lớn hơn xupap nạp, do đó cần đóng sớm xupap nạp để hòa khí vào một cách hiệu quả Việc này giúp cải thiện hiệu suất thể tích nạp và tăng mômen xoắn ở tốc độ thấp đến trung bình.
Tốc độ thấp tới trung bình với tải nặng
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, từ đó nâng cao hiệu suất thể tích nạp Cải tiến này góp phần gia tăng công suất đầu ra.
Tốc độ cao với tải cao
Khi nhiệt độ động cơ giảm, việc điều chỉnh góc trùng điệp xupap là cần thiết để ngăn ngừa tình trạng cháy xấu, đồng thời giúp ổn định tốc độ không tải nhanh 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 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 gần trục cam Khi pittông di chuyển sang trái, trục B cũng di chuyển dọc theo trục, dẫn đến thay đổi góc phối khí theo hướng làm trễ thời điểm phối khí.
Làm trễ thời điểm phối khí
Khi đã đạt được thời điểm phối khí tối ưu, DME sẽ duy trì tỷ lệ hiệu dụng của xung điều khiển để bảo đảm vị trí trục cam hợp lý.
Độ rộng xung (thời gian on, duty cycle) mà DME gửi tới solenoid đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển áp lực dầu tác động lên pittông, từ đó ảnh hưởng đến thời điểm phối khí, có thể làm trễ, sớm hoặc giữ nguyên thời điểm 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, nhẹ nhàng và ổn định ở tốc độ thấp, đồng thời vẫn duy trì công suất và hiệu suất tối đa khi tăng tốc lên tốc độ cao.
- Tăng mômen xoắn ở tốc độ thấp và tốc độ trung bình mà không ảnh hưởng nhiều tới phạm vi công suất động cơ.
- Tăng tính tiết kiệm nhiên liệu do tối ưu hóa góc phối khí.
- Ưu điểm nổi bật của hệ thống này là làm việc chính xác ở tốc độ thấp và nhiệt độ động cơ thấp.
Sự kết hợp giữa điều khiển trục cam bằng điện và thủy lực giúp cải thiện hiệu suất động cơ, đồng thời giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ và khí thải độc hại sinh ra trong quá trình cháy.
Hệ thống điều khiển ECU đã tối ưu hóa tốc độ xử lý và nâng cao hiệu suất hoạt động của động cơ Nhờ đó, khả năng gia tốc của động cơ trở nên cực nhạy và mạnh mẽ hơn so với các dòng xe không được trang bị hệ thống này.
- Giảm ô nhiễm khí thải do tối ưu hóa góc trùng điệp của xupap.
- Chế độ cầm chừng ổn định tiêu hao nhiên liệu, mức độ phát thải trên động cơ và đặc biệt là tăng được công suất của động cơ.
- Không ảnh hưởng bởi nhiệt độ dầu
Nhược điểm - Kết cấu phức tạp nên việc nâng cấp hệ thống
- Mô men xoắn và công suất ở đầu ra thấp
- Hệ thống phức tạp dẫn đến việc
- Giá thành cao 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 hệ thống 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 Hệ thống này lần đầu tiên được giới thiệu trên động cơ 1UR-FE của xe Lexus LS 460 vào năm 2007.
Hệ thống Dual VVT-iE trên động cơ 1UR-FSE sử dụng động cơ điện để điều khiển trục cam nạp, đảm bảo hoạt động đồng bộ với trục cam Để điều chỉnh thời gian mở van, ECU có thể tăng tốc độ quay của động cơ điện, giúp mở van sớm hơn, hoặc giảm tốc độ quay để làm muộn thời điểm mở van.
Lịch sử cải tiến
Hệ thống Dual VVT-i
5.1.1 Quá trình cải tiến VVT thành Dual VVT-i
Hệ thống VVT hoạt động đơn giản ở tốc độ 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 sẽ đi qua một đường đặc biệt trong cam nạp, đẩy một piston nhỏ trong bộ điều khiển VVT, khiến pully điều chỉnh vị trí chính xác Kết quả là, 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.
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, được trang bị bộ điều khiển VVT trên trục cam nạp, được ứng dụng trên 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 hệ thống van biến thiên thông minh của Toyota, hoạt động dựa trên nguyên lý điện - thủy lực Hệ thống này đã thay thế Toyota VVT (Hệ thống pha cam điều khiển bằng thủy lực 2 giai đoạn), được giới thiệu từ năm trước.
1991 trên động cơ 4A-GE 5 van mỗi xi lanh.
Hệ thống VVT-i được giới thiệu trên động cơ 1JZ-GTE và 2JZ-GTE vào năm 1996, cho phép điều chỉnh thời gian mở van nạp thông qua việc điều chỉnh mối quan hệ giữa bộ truyền động trục cam và trục cam nạp Áp suất dầu động cơ được sử dụng để điều chỉnh vị trí trục cam, từ đó cải thiện hiệu suất động cơ bằng cách tối ưu hóa thời gian trùng lặp giữa đóng van xả và mở van nạp Các biến thể của hệ thống này bao gồm VVTL-i, Dual VVT-i, VVT-iE, VVT-iW và Valvematic.
VVT-i thế hệ II (1995-2004) được phát triển để tối ưu hóa thời điểm phối khí bằng cách điều chỉnh vị trí trục cam trong khoảng 40 đến 60 độ so với trục khuỷu Hệ thống này hoạt động dựa trên tín hiệu từ các cảm biến, giúp cải thiện hiệu suất động cơ trong các điều kiện hoạt động khác nhau.
Sơ đồ điều khiển van biến thiên liên tục sử dụng truyền động bằng dây đai cho cả hai trục cam, kết hợp với cơ cấu điều phối van và bộ điều khiển VVT-I trên trục cam nạp Hệ thống này được áp dụng trên 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 cơ cấu quan trọng trong hệ thống điều phối van biến thiên, với bộ điều khiển VVT-i được lắp đặt ở phía trước hoặc phía sau trục cam Cấu trúc 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 hoạt động của động cơ.
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, cùng với cơ cấu điều phối van biến thiên VVT-i, được lắp đặt trên đĩa xích trục cam nạp Hệ thống này được áp dụng cho các động cơ NZ, AZ, ZZ, SZ, KR, và 1GR-FE loại 04.
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.
Hệ thống VVTL-i, phát triển từ công nghệ VVT-i, sử dụng cơ cấu đổi vấu cam để điều chỉnh hành trình của van nạp và van xả Công nghệ 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 không làm giảm hiệu quả nhiên liệu hay gia tăng ô nhiễm khí thải Cấu trúc và hoạt động của nó tương tự như hệ thống 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, với các bộ phận chính bao gồm van điều khiển dầu VVTL và các trục cam, cò mổ đặc biệt.
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 van xả, và đã được áp dụng trên động cơ V6 2GR-FE vào năm 2005 Công nghệ này hiện nay được sử dụng rộng rãi trên các động cơ Toyota và Lexus, với cấu tạo và hoạt động tương tự như hệ thống VVT-i Nhờ vào Dual VVT-i, động cơ xăng của Toyota tối ưu hóa quá trình nạp và xả, giúp 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 Dual VVT-i kết hợp với hệ thống nâng van biến thiên liên tục, giúp điều chỉnh thời gian nâng van và cải thiện hiệu quả nhiên liệu bằng cách kiểm soát lượng nhiên liệu không khí thông qua van thay vì sử dụng tấm ga thông thường Công nghệ này lần đầu tiên được giới thiệu vào năm 2007 trên tàu Noah và sau đó vào đầu năm 2009 trên động cơ ZR của tàu Avensis Hệ thống Valvematic được thiết kế đơn giản hơn so với Valvetronic và VVEL, cho phép đầu xi lanh giữ nguyên chiều cao, được áp dụng trên các động cơ 1ZR-FAE, 2ZR-FAE và 3ZR-FAE.
Hệ thống Valvematic trên động cơ
Bộ truyền động VVT (xả) và bộ truyền động VVT (nạp) đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điều khiển trục cam xả và trục cam nạp Bộ điều khiển van cùng với bộ điều chỉnh và bộ điều chỉnh mi giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của các van nạp và van xả Ngoài ra, bộ phận xả xích và bộ phận giảm tốc độ căng cũng góp phần quan trọng trong việc duy trì ổn định cho hệ thống, trong khi bộ căng thủy lực đảm bảo sự chính xác trong việc điều chỉnh.
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
VVT-iE, hay Định thời van biến thiên thông minh bằng động cơ điện, là phiên bản nâng cấp của Dual VVT-i Hệ thống này sử dụng cơ cấu chấp hành điện để điều chỉnh và duy trì thời gian nạp của trục cam, trong khi thời điểm trục cam xả vẫn được kiểm soát bằng bộ truyền động thủy lực.
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 của trục cam so với trục khuỷu Nó có khả năng xoay trục cam 400 độ so với góc quay 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 khác, VANOS kết hợp giữa cơ khí và thủy lực, được quản lý bởi DME, giúp nâng cao hiệu quả và độ bền của động cơ.
Single VANOS, được giới thiệu lần đầu 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 Khi tốc độ trung bình, xupab nạp mở sớm hơn nhằm tăng góc trùng điệp, từ đó cải thiện hiệu suất EGR, tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải ô nhiễm Ở tốc độ 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
Năm 1996, động cơ 6 xylanh M52TU được giới thiệu với khả năng điều chỉnh vị trí của cả trục cam nạp và trục cam xả so với trục khuỷu, trong đó trục cam nạp có khả năng thay đổi linh hoạt.
Hệ thống trục cam 400 và trục cam xả 250 kết hợp hài hòa để tối ưu hóa hiệu suất động cơ Công nghệ Double VANOS kéo dài thời gian mở của xupap hơn 120 độ và tăng độ nâng xupap thêm 0,9mm Tuy nhiên, hệ thống này cần áp suất thủy lực lớn để đảm bảo việc điều chỉnh diễn ra nhanh chóng và chính xác.
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 đốt, giúp cải thiện hiệu suất đốt cháy Van EGR, vốn đưa khí thải có NOx trở lại đường ống nạp, giờ đây trở nên lỗi thời Nhờ vào công nghệ Dual VVT-i, việc kiểm soát nhiệt độ đốt cháy được tối ưu hóa, dẫn đến việc giảm thiểu sản xuất NOx hiệu quả hơn.
Không có van tuần hoàn khí thải (EGR) Van có hệ thống Dual VVT-i
Hệ thống VANOS
Xu hướng ô tô hiện đại đang chuyển mình với tốc độ cực đại tăng từ 180-250 km/h lên 250-330 km/h, đồng thời giảm tiêu hao nhiên liệu Để đạt được điều này, các giải pháp như điều khiển pha phối khí và thay đổi hành trình xupap thông minh đang được áp dụng nhằm tối ưu hóa hiệu suất động cơ.
Xu hướng phát triển ô tô hiện đại hiện nay tập trung vào việc tăng tốc độ tối đa từ 180-250 km/h lên 250-330 km/h và 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 những hệ thống nổi bật 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 cải tiến 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 mẫu xe của Toyota như Camry, Altis, Prado và Landcruiser thế hệ mới, và trong tương lai, công nghệ này cũng sẽ được tích hợp vào các dòng xe Vios.
Xe Vios là mẫu sedan hạng nhỏ phổ biến của Toyota tại Việt Nam, luôn đứng đầu trong danh sách xe bán chạy từ năm 2017 Với động cơ 1.5L Dual VVT-i mới, xe đạt công suất tối đa 107Hp tại 600 rpm và mô men xoắn cực đại 140Nm tại 4200rpm, đáp ứng tiêu chuẩn khí thải Euro 4.
Toyota Yaris là một trong những mẫu xe hatchback cỡ nhỏ được ưa chuộng nhất tại Việt Nam Xe được trang bị động cơ 1.5L mới nhất với công nghệ DOHC và Dual VVT-i, kết hợp với hộp số tự động vô cấp, đáp ứng tiêu chuẩn khí thải Euro 4.
Toyota Corolla Altis là một mẫu sedan hạng nhỏ cao cấp, nổi bật trong phân khúc xe hơi Kể từ khi ra mắt lần đầu vào năm 1966, Corolla đã trở thành một biểu tượng toàn cầu, với doanh số tích lũy lên tới 80 triệu xe, khẳng định sự hài lòng của khách hàng trên toàn thế giới.
Sử dụng động cơ tiên tiến với công nghệ Dual VVT-i và trục cam kép DOHC, xe 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 mới ra mắt tại Việt Nam, đánh dấu thế hệ thứ 8 của dòng xe sedan trung cao cấp nổi tiếng Mẫu Camry tại thị trường Việt Nam được lắp ráp trong nước, trang bị hộp số tự động 6 cấp và động cơ 2.5L tiêu chuẩn khí thải Euro 4 Phiên bản Q và G sở hữu công suất cực đại 178Hp tại 6000 rpm và mô-men xoắn tối đa 231Nm tại 4100 rpm, với động cơ Dual VVT-i và DOHC, 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, cũng như các mẫu xe thuộc series 3 và series 5 Trong tương lai, công nghệ này cũng sẽ được áp dụng cho các dòng xe BMW X3, BMW M3 và BMW M4.
Thế hệ động cơ xăng động lực kép mới nhất của BMW mang lại 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 mà còn có hiệu suất vượt trội so với 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 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 nhận giải thưởng Động cơ của năm, khẳng định danh tiếng của nó với những đặc tính như chuyển giao năng lượng năng động, vận hành mượt mà và hiệu suất ấn tượng.
Công nghệ BMW EfficientDynamics đã mang đến những ý tưởng tiên phong cho các thế hệ động cơ, được chứng minh và áp dụng rộng rãi trong hầu hết các động cơ xăng.
Đề tài này tập trung vào việc phân tích cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống phân phối khí thông minh Dual VVT-i của Toyota và VANOS của BMW Bài viết cũng sẽ trình bày những ưu và nhược điểm của hai hệ thống này, cùng với lịch sử cải tiến của chúng.
Kết quả của việc tối ưu hóa động cơ bao gồm tiết kiệm nhiên liệu, giảm ô nhiễm khí thải nhờ vào thời điểm phân phối khí phù hợp, và tăng cường công suất cũng như moment xoắn của động cơ thông qua việc điều chỉnh thời điểm phối khí hợp lý.
Bài viết này chỉ ra rằng, do thời gian hạn chế, nghiên cứu chưa thể đi sâu vào phân tích từng hệ thống của tất cả các hãng xe trên thị trường để so sánh với hệ thống Dual VVT-i và VANOS Hơn nữa, tiểu luận chỉ tập trung vào lý thuyết mà chưa thực hiện thí nghiệm và mô hình thực tế, dẫn đến việc chưa thể hiện rõ các kết quả đạt được.
