Xu hướng phát triển của ô tô hiện đại ngày nay là gia tăng tốc độ cực đại từ 180-250 km đến 250-330 km/h và giảm tiêu hao nhiên liệu. Các giải pháp được đưa ra nhằm tăng tốc độ động cơ là điều khiển pha phối khí hoặc thay đổi hành trình xupáp thông minh. Tiếp theo đó nhiều hãng xe lớn trên thế giới đã và đang áp dụng giải pháp thứ hai vào mục đích trên. Các công nghệ như VVTL-i của Toyota; VTEC của Honda; MIVEC của Mitsubishi; VALVETRONIC của BMW; VVEL của Nissan lần lượt xuất hiện đã khẳng định tầm quan trọng của vấn đề nêu trên. Bài viết kỳ này chúng tôi sẽ lần lượt giới thiệu với các bạn về các công nghệ này.
Công nghệ VVTL-i của Toyota.
Hệ thống VVTL-i dựa trên hệ thống VVT-i và áp dụng một cơ cấu chuyển đổi vấu cam để thay đổi hành trình của xupáp nạp và xả. Điều này cho phép đạt được công suất cao mà không ảnh hưởng đến tính kinh tế của nhiên liệu hay ô nhiễm khí xả.
Cấu tạo và hoạt động của hệ thống VVTL-i về cơ bản giống như hệ thống VVT-i. Việc chuyển đổi giữa hai vấu cam có biên dạng khác nhau dẫn đến làm thay đổi hành trình của xupáp.
Trong cơ cấu chuyển vấu cam, ECU động cơ điều khiển chuyển đổi giữa 2 vấu cam nhờ van điều khiển dầu VVTL dựa trên các tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ nước làm mát và cảm biến vị trí trục khuỷu.
Các bộ phận cấu thành hệ thống VVTL-i gần giống như những bộ phận của hệ thống VVT-i. Đó là van điều khiển dầu cho VVTL, các trục cam và cò mổ.
Van điều khiển dầu cho VVTL điều khiển áp suất dầu cấp đến phía cam tốc độ cao của cơ cấu chuyển vấu cam bằng thao tác điều khiển vị trí van ống do ECU động cơ thực hiện.
Trục cam và cò mổ
Để thay đổi hành trình xupáp, người ta chế tạo trên trục cam 2 loại vấu cam, một loại vấu cam ứng với tốc độ thấp và vấu cam tốc độ cao cho mỗi xilanh.
Cơ cấu chuyển vấu cam được lắp bên trong cò mổ giữa xupáp và vấu cam. Áp suất dầu từ van điều khiển dầu của VVTL đến lỗ dầu trong cò mổ và áp suất này đẩy chốt hãm bên dưới chốt đệm. Nó cố định chốt đệm và ấn khớp cam tốc độ cao.
Khi áp suất dầu ngừng tác dụng, chốt hãm được trả về bằng lực của lò xo và chốt đệm được tự do. Điều này làm cho chốt đệm có thể di chuyển tự do theo hướng thẳng đứng và vô hiệu hóa vấu cam tốc độ cao.
Trục cam nạp và xả có các vấu cam với 2 hành trình khác nhau cho từng xylanh, và ECU động cơ chuyển những vấu cam này thành vấu cam hoạt động bằng áp suất dầu.
Tốc độ thấp và trung bình (tốc độ động cơ: dưới 6000 vòng/phút)
Như trong hình minh họa ở trên, van điều khiển dầu mở phía xả. Do đó, áp suất dầu không tác dụng lên cơ cấu chuyển vấu cam.
Áp suất dầu không tác dụng lên chốt chặn. Do đó, chốt chặn bị đẩy bằng lò xo hồi theo hướng nhả khóa. Như vậy, chốt đệm sẽ lặp lại chuyển động tịnh tiến vô hiệu hóa. Nó sẽ dẫn động xupáp bằng cam tốc độ thấp và trung bình.
Tốc độ cao (Tốc độ động cơ: trên 6000 vòng/phút, nhiệt độ nước làm mát: cao hơn 6000C).
Như trong hình vẽ bên trên, phía xả của van điều khiển dầu được đóng lại sao cho áp suất dầu tác dụng lên phía cam tốc độ cao của cơ cấu chuyển vấu cam.
Lúc này bên trong cò mổ, áp suất dầu đẩy chốt chặn đến dưới chốt đệm để giữ chốt đệm và cò mổ. Do đó, cam tốc độ cao ấn xuống cò mổ trước khi cam tốc độ thấp và trung bình tiếp xúc với con lăn. Nó dẫn động các xupáp bằng cam tốc độ cao. ECU động cơ đồng thời phát hiện rằng vấu cam đã được chuyển sang vấu cam tốc độ cao dựa trên tín hiệu từ công tắc áp suất dầu.
Công nghệ VTEC của Honda.
Hệ thống VTEC nhằm cải thiện hiệu suất động cơ ở tốc độ thấp và cao bằng cách bố trí hai loại vấu cam ở mỗi xilanh, vấu cam tốc độ thấp và vấu cam tốc độ cao. Tùy theo điều kiện làm việc cụ thể của động cơ mà sử dụng loại vấu cam phù hợp.
Ở dải tốc độ thấp, thời gian mở xupáp được 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, độ mở xupáp và thời gian mở xupáp được tăng lên, không khí được nạp vào nhiều hơn. Hệ thống cung cấp cho xe khả năng di chuyển tốt ở tốc độ thấp và tăng hiệu suất động cơ khi tốc độ xe tăng lên.
Qua nhiều năm phát triển, các động cơ của Honda đã sử dụng qua năm loại hệ thống VTEC khác nhau gồm: (1) VTEC có một trục cam đặt trên gọi là SOHC; (2) VTEC-E tiết kiệm nhiên liệu; (3) VTEC có hai trục cam đặt trên DOHC; (4) VTEC có xilanh không tải và (5) công nghệ i-VTEC thông minh. Kết cấu của 5 modun trên khác nhau nhưng nói chung chúng giống nhau về mặt nguyên lý vì tất cả đều sử dụng loại trục cam có vấu kép, một vấu dùng khi tốc độ thấp và một vấu dùng ở tốc độ cao. Ở dải tốc độ thấp, các xupáp mở ít và thời gian mở ngắn lại do tốc độ của vấu cam giảm.
Hiệu quả thực tế của công nghệ VTEC phụ thuộc vào điều kiện chạy xe và kiểu xe. Bộ điều khiển trung tâm ECM/PCM liên tục theo dõi sự thay đổi tình trạng hoạt động của động cơ như tải trọng, số vòng quay và tốc độ chạy xe. Dựa vào các thông số đầu vào này, ECM/PCM sẽ xác định và tính toán để kích hoạt hoặc hủy bỏ chế độ VTEC.
Khi tốc độ động cơ tăng lên, lượng không khí và nhiên liệu cần thiết cũng tăng lên. Nếu các điều kiện như nhiệt độ nước làm mát động cơ, áp suất đường ống nạp, tốc độ động cơ và tốc độ di chuyển của xe đạt đến một giá trị nào đó, hệ thống sẽ chuyển từ vấu cam tốc độ thấp sang vấu cam tốc độ cao. Nhờ vậy, độ mở xupáp và thời gian xupáp mở tăng lên.
PCM/ECM điều khiển hoạt động của VTEC nhờ tín hiệu điện. Khi PCM/ECM kích hoạt VTEC, công tắc áp suất dầu được bật lên, dầu qua van trượt theo đường ống dẫn đến tác động vào piston nối, piston này sẽ dịch chuyển sang phải để nối hai cụm cò mổ lại với nhau, chuyển động đồng thời.
Chúng ta hãy quan sát hình ảnh hoạt động của một hệ thống VTEC với một trục cam đặt trên, mỗi cụm cò mổ gồm hai cò mổ tốc độ thấp ở hai bên và một cò mổ tốc độ cao ở giữa.
Ở dải tốc độ thấp, các cò mổ tốc độ thấp và tốc độ cao chuyển động riêng rẽ. Các xu páp mở ra ít và thời gian mở ngắn. Ở dải tốc độ cao, PCM/ECM kích hoạt để VTEC hoạt động, các piston nối dưới tác động của dầu thủy lực sẽ di chuyển để nối các cò mổ tốc độ thấp và tốc độ cao với nhau thành mối khối. Lúc này, các xu páp mở ra nhiều hơn và thời gian mở tăng lên. Không khí được nạp vào nhiều hơn, công suất động cơ tăng lên nhanh chóng. Hình ảnh động dưới đây sẽ giúp các bạn dễ hình dung hơn hoạt động của một hệ thống VTEC kiểu SOHC.
Mivec của hãng Mitsubishi.
MIVEC (Mitsubishi Innovative Valve timing Electronic Control system) là tên viết tắt của công nghệ động cơ với xupáp nạp biến thiên được phát triển bởi hãng Mitsubishi. Cũng tương tự như các hệ thống với xupáp nạp biến thiên được đề cập kỳ trước, hệ thống này cũng có khả năng thay đổi hành trình hoặc thời gian đóng mở các xupáp bằng cách sử dụng hai loại vấu cam khác nhau. Ở dải tốc độ thấp, vấu cam nhỏ dẫn động các xupáp, động cơ hoạt động ở trạng thái không tải ổn định, lượng khí thải giảm và mômen xoắn tăng lên ở tốc độ thấp. Khi vấu cam lớn được kích hoạt, tốc độ tăng lên, các xupáp được mở rộng hơn và thời gian mở xupáp tăng lên. Bởi vậy làm tăng lượng khí nạp trong buồng cháy, công suất và mômen xoắn tăng, dải tốc độ động cơ được mở rộng.
Động cơ 4G92 đầu tiên của Mitsubishi sử dụng công nghệ MIVEC
MIVEC được Mitsubishi giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1992 trên động cơ 4G92, dung tích 1597 cc, DOHC không tăng áp, 4 xilanh thẳng hàng, mỗi xilanh gồm hai xupáp nạp và hai xupáp xả. Thế hệ công nghệ này ra đời với tên gọi “Mitsubishi Innovative Valve timing and lift Electronic Control”. Chiếc xe đầu tiên sử dụng công nghệ này là chiếc hatchback Mitsubishi Mirage và chiếc sedan Mitsubishi Lancer. Trong khi một động cơ 4G92 thông thường sinh ra công suất 145 mã lực ở tốc độ 7000 vòng/phút thì một động cơ được trang bị công nghệ MIVEC có thể sinh ra tới 175 mã lực ở vòng tua 7500 vòng/phút. Một số các cải tiến về công nghệ khác cũng được ứng dụng khi công nghệ này được áp dụng rộng rãi vào năm 1994 trên xe Mitsubishi FTO. Mặc dù vậy các thiết kế mới nhằm nâng cao hiệu suất vẫn phải đảm bảo tính tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm khí thải ở dòng xe Mitsubishi.
Chiếc Mitsubishi Grandis sử dụng công nghệ MIVEC
Hoạt động.
Nhằm tối ưu hiệu suất động cơ ở giải tốc độ thấp và trung bình, mặt khác lại nâng cao công suất ở vòng tua cao, hệ thống MIVEC đạt được cả hai mục tiêu trên nhờ chủ động điều khiển cả thời điểm và khoảng thời gian đóng mở xupáp. Hệ thống MIVEC điều khiển hoán đổi các vấu cam có cùng chức năng. Một số các loại xe đua thể thao đã áp dụng biện pháp công nghệ này nhằm mục đích sinh ra nhiều công suất hơn. Việc chuyển đổi vấu cam được thực hiện một cách tự động nhờ các ECU của hệ thống MIVEC, dựa trên các tín hiệu đầu vào như tốc độ động cơ, số vòng quay trục khuỷu, nhiệt độ nước làm mát, độ mở bướm ga,…ECU sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển để kích hoạt hoặc hủy chế độ MIVEC.
Hai cam có hai biên dạng khác nhau được sử dụng ở hai chế độ khác nhau của động cơ: một cam có biên dạng nhỏ, dùng ở dải tốc độ thấp mà ta gọi tắt là cam tốc độ thấp và vấu cam còn lại có biên dạng lớn hơn, dùng ở dải tốc độ cao gọi tắt là cam tốc độ cao. Các vấu cam tốc độ thấp và các trục cò mổ, dẫn động các xupáp nạp, đặt đối xứng nhau qua cam tốc độ cao ở giữa. Mỗi xupáp nạp được dẫn động bởi một cam tốc độ thấp và trục cò mổ. Để chuyển sang cam tốc độ cao, một tay đòn chữ T được ép vào các khe ở đỉnh trục cò mổ của cam tốc độ thấp. Điều này cho phép các cam tốc độ cao dịch chuyển cùng với cam tốc độ thấp. Lúc này các xupáp thay đổi hành trình khi được dẫn động bởi cam tốc độ cao.
Ở dải tốc độ thấp, tay đòn chữ T trượt ra khỏi khe một cách tự do, cho phép các cam tốc độ thấp dẫn động các xupáp. Ở dải tốc độ cao, áp suất thủy lực đẩy piston thủy lực lên, bởi vậy tay đòn chữ T lại trượt vào các khe cò mổ để chuyển sang vận hành với các cam tốc độ cao.
Nói chung, chế độ MIVEC được kích hoạt để chuyển sang vấu cam tốc độ cao khi tốc độ động cơ tăng và chuyển sang vấu cam tốc độ thấp khi tốc độ động cơ giảm. Ở dải tốc độ thấp, thời gian đóng mở các xu páp nạp và xả trùng nhau tăng để tăng sự ổn định ở chế độ không tải. Khi tăng tốc, thời điểm xupáp nạp đóng được làm chậm lại để giảm áp lực ngược đồng thời cải thiện hiệu suất khí nạp, giúp tăng công suất động cơ cũng như giảm hệ số ma sát.
Hệ thống MIVEC điều khiển bốn chế độ vận hành tối ưu của động cơ như sau:
• Trong hầu hết các điều kiện làm việc, để đảm bảo hiệu suất nhiên liệu cao nhất, thời gian đóng xupáp trùng nhau tăng lên để giảm tổn thất bơm. Thời điểm xupáp xả mở được làm chậm lại để tăng tỷ số nén, tăng tính kinh tế của nhiên liệu.
• Khi cần công suất cực đại (tốc độ và tải trọng cao), thời điểm đóng xupáp nạp được làm chậm lại để đồng nhất hóa không khí nạp với thể tích nạp là lớn nhất.
• Ở dải tốc độ thấp và tải nặng, MIVEC đảm bảo tối ưu mômen xoắn do thời điểm xupáp nạp đóng được làm sớm hơn để đảm bảo đủ lượng khí nạp. Cùng lúc đó, thời điểm xupáp xả mở được làm chậm lại để tăng tỷ số nén và cải thiện hiệu suất động cơ.
• Ở chế độ không tải, thời điểm xupáp xả và nạp trùng nhau được loại bỏ để ổn định quá trình cháy.
Công nghệ Valvetronic của hãng BMW.
Động cơ Valvetronic của hãng BMW là động cơ đầu tiên trên thế giới không sử dụng bướm ga. BMW phát triển công nghệ này với mục tiêu tiết kiệm được khoảng 10% nhiên liệu so với các loại động cơ thông thường khác.
Để hiểu tại sao một động cơ không có bướm ga lại có khả năng tiết kiệm được nhiên liệu thì điều đầu tiên bạn phải hiểu được nguyên lý hoạt động của một động cơ thông thường. Khi đạp hết ga nghĩa bạn không thể khống chế được lượng nhiên liệu phun vào buồng cháy (điều này dẫn đến sự thay đổi tỷ lệ không khí-nhiên liệu dẫn đến nổ ngược) cũng như lượng không khí đi vào các xilanh. Trong hệ thống vòi phun nhiên liệu, lượng không khí đi qua bướm ga sẽ được giám sát chặt chẽ và căn cứ vào đó, hệ thống điều chỉnh lượng nhiên liệu cho phù hợp. Khi bướm ga càng mở rộng, không khí đi vào buồng cháy càng nhiều, công suất động cơ tăng lên.
Hơn nữa, khi bướm ga mở rất ít (khi đạp ga một cách đều đặn, xe xuống dốc hoặc đường khá trơn nhẵn), mở một phần hoặc thậm chí đóng lại gần như hoàn toàn. Trong khi đó, các piston vẫn di chuyển, hút một phần không khí còn lại trong đường ống nạp khí đã được đóng kín. Không cần phải giải thích quá nhiều, bạn đọc cũng có thể dễ dàng hình dung ra rằng trong đường ống dẫn khí nạp, phần giữa bướm ga và buồng cháy sẽ tự hình thành chân không trong đó, để chống lại lực hút/lực bơm hút của các piston. Do vậy làm tổn hao một phần năng lượng. Động cơ càng chạy chậm bao nhiêu, bướm ga càng đóng kín bao nhiêu thì càng tiêu tốn nhiều năng lượng.
Công nghệ Valvetronic đã loại bỏ sự có mặt của bướm ga để tiết kiệm nhiên liệu, đặc biệt ở dải tốc độ thấp của động cơ. Qua quy trình kiểm tra thành phần khí thải của EU bao gồm ở cả dải tốc độ cao và thấp, một động cơ Valvetronic 1,8L tiết kiệm được khoảng 5,3 lít nhiên liệu trên 100 km. Hơn nữa không giống với hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp (hệ thống nhiên liệu phổ biến nhất hiện nay) không cần thiết phải sử dụng loại xăng có hàm lượng lưu huỳnh thấp.
Không có bướm ga, vậy làm sao để hệ thống này có thể khống chế lượng không khí đi vào các xilanh? Bí ẩn nằm ở việc áp dụng biện pháp công nghệ để thay đổi độ mở của xupáp. Valvetronic chứa một hệ thống cò mổ có khả năng thay đổi một cách linh hoạt khi tác động lên các xupáp. So với các loại động cơ có hai loại vấu cam thông thường khác, nó sử dụng một trục truyền động lệch tâm, một mô tơ điện và một số cò mổ trung gian. Tùy theo tín hiệu điện từ bộ điều khiển ECU sẽ kích hoạt mô tơ điều khiển góc xoay của trục lệch tâm, trục này sẽ xoay đi một góc nào đó khiến cò mổ trung gian ấn sâu hơn khi tác động lên các trục đòn gánh, trục đòn gánh này có nhiệm vụ đóng hoặc mở các xu páp. Nếu cò mổ đẩy các trục đòn gánh vào sâu hơn, các xupáp nạp sẽ mở rộng hơn và ngược lại.
So với công nghệ VTEC của Honda, Valvetronic cũng sử dụng xupáp thay đổi hành trình để tăng công suất như VTEC nhưng đáng tiếc, Valvetronic quả thực ít hiệu quả ở khả năng tiết kiệm nhiên liệu ở số vòng quay cao hơn so VTEC. Quan sát hình ảnh trên đây, các bạn co thể nhận thấy trục cam dẫn động các cò mổ trung gian, tiếp đó tác động vào các trục đòn gánh khiến phát sinh ra khá nhiều lực ma sát. Bởi vậy mà tính hiệu quả và cải tiến của Valvetronic đã giảm đi rất nhanh ở số vòng tua lớn hơn 6.000 vòng/phút. Không ngạc nhiên khi trong tương lai BMW không trang bị Valvetronic cho các động cơ M-power của họ.
Công nghệ VVEL của Nissan.
Cũng tương tự như các công nghệ đã được đề cập ở trên. Đó là công nghệ có sự phối hợp vừa chặt chẽ, vừa độc lập ở khả năng điều khiển thông minh thời điểm đóng mở xupáp và độ mở của xupáp nạp. Nissan gọi công nghệ của họ là Variable Valve Event and Lift (VVEL) và Continuous Valve Timing control (C-VTC). Hệ thống VVEL sử dụng một số mối liên kết được bố trí một cách thông minh để tác động lên các xupáp và nhờ một động cơ điện nhận tín hiệu điều khiển từ ECU sẽ quay trục dẫn động đi một góc phù hợp, nó làm dịch chuyển bản lề nối với thanh dẫn, rồi tác động lên các trục riêng biệt. Do sự dịch chuyển của trục bản lề mà độ mở của các xupáp cũng thay đổi theo tương ứng.
Công nghệ mới của Nissan đã thu được những hiệu quả nhất định. Cũng loại bỏ sự có mặt của các bướm ga và tổn thất bơm của các piston, việc thay đổi hành trình của các xupáp có thể dễ dàng làm thay đổi tốc độ động cơ. Không có các cánh lưu thông gió như động cơ có bướm ga nhưng khả năng phản ứng nhanh nhạy của động cơ lại tăng lên, không giống với động cơ có bướm ga phản ứng lại khá chậm khi đạp và bàn đạp ga. Lượng CO2 trong khí thải giảm 10% với động cơ có hệ thống VVEL. Lợi ích lớn nhất thu được có thể dễ nhận thấy ở dải tốc độ thấp và trung bình nhưng ở giải tốc độ cao nhất thì hiệu quả lại giảm đi. Bên cạnh đó, khả năng tăng độ mở của xupáp cho phép tạo ra mômen xoắn cao hơn ở vòng tua cao.
Hình ảnh chuyển động
Khi xe mới khởi động và cần phải được làm nóng nhanh để tăng hiệu suất nhiên liệu, hệ thống VVEL và C-VTC sẽ tối ưu hóa số lần tác động lên các xupáp để nhanh chóng làm nóng khí xả, kích hoạt bộ lọc xúc tác nhanh hơn, cải thiện sự phân tán nhiên liệu và cải thiện quá trình cháy.
Hệ thống VVEL và C-VTC là một phần của Chương trình phát triển công nghệ xanh đến năm 2010 của Nissan, mục tiêu của chương trình nhằm giảm lượng CO2 trong khí thải của động cơ xăng đến mức thấp nhất và là công nghệ mang tính toàn cầu đến năm 2010.
Các ưu điểm nổi bật của công nghệ VVEL
Tăng hiệu suất nhiên liệu.
Ở dải tải trọng từ thấp đến trung bình, VVEL kiểm soát lượng không khí nạp vào qua xupáp nạp trước khí nó vào trong buống cháy. Khác với động cơ thông thường, không khí được nạp vào qua bướm ga, biện pháp này làm tăng hiệu suất bởi lưu lượng khí đi vào trong xilanh dễ dàng hơn.
Ở dải tốc độ thấp và trung bình, xupáp nạp được mở ít để giảm ma sát của trục cam và cải thiện hiệu suất nhiên liệu.
Tăng tốc nhạy cảm hơn.
VVEL khống chế lượng không khí nạp qua xupáp nạp, cải thiện độ nhạy khi cần tăng tốc bằng cách tăng mật độ khí nạp vào trong xilanh từ lúc bát đầu tăng tốc.
Tăng công suất.
Ở dải tốc độ thấp, thời gian các xupáp nạp mở được rút ngắn để ngăn hỗn hợp nhiên liệu – không khí chảy ngược lại đường ống nạp, cải thiện mômen xoắn. Ở dải tốc độ cao, thời gian xupáp nạp mở được kéo dài cho phép tăng lượng khí nạp vào, nhờ vậy mômen xoắn tăng lên.
Cải thiện khí thải.
Việc định thời xu páp nạp được tối ưu hóa trong quá trình khởi động khi động cơ vẫn còn nguội để tăng nhiệt độ của khí xả lên một cách nhanh chóng và kích hoạt bộ lọc xúc tác một cách nhanh nhất.
Lượng hydrocacbon trong khí xả được giảm đi ở dải tốc độ thấp và trung bình bằng cách duy trì độ mở của xu páp nạp ở mức thấp. Tốc độ khí nạp và độ phân tán của nhiên liệu dưới dạng sương mù khá hoàn hảo. Kết quả là hiệu quả của cả quá trình cháy tăng lên.
VVEL cải thiện hiệu suất nhiên liệu một cách tốt nhất ở dải tốc độ thấp và trung bình. Do vậy nó phù hợp nhất với động cơ có nhiều xilanh và dung tích lớn.
Công nghệ VVTL-i của Toyota.
Hệ thống VVTL-i dựa trên hệ thống VVT-i và áp dụng một cơ cấu chuyển đổi vấu cam để thay đổi hành trình của xupáp nạp và xả. Điều này cho phép đạt được công suất cao mà không ảnh hưởng đến tính kinh tế của nhiên liệu hay ô nhiễm khí xả.
Cấu tạo và hoạt động của hệ thống VVTL-i về cơ bản giống như hệ thống VVT-i. Việc chuyển đổi giữa hai vấu cam có biên dạng khác nhau dẫn đến làm thay đổi hành trình của xupáp.
Trong cơ cấu chuyển vấu cam, ECU động cơ điều khiển chuyển đổi giữa 2 vấu cam nhờ van điều khiển dầu VVTL dựa trên các tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ nước làm mát và cảm biến vị trí trục khuỷu.
Các bộ phận cấu thành hệ thống VVTL-i gần giống như những bộ phận của hệ thống VVT-i. Đó là van điều khiển dầu cho VVTL, các trục cam và cò mổ.
Van điều khiển dầu cho VVTL điều khiển áp suất dầu cấp đến phía cam tốc độ cao của cơ cấu chuyển vấu cam bằng thao tác điều khiển vị trí van ống do ECU động cơ thực hiện.
Trục cam và cò mổ
Để thay đổi hành trình xupáp, người ta chế tạo trên trục cam 2 loại vấu cam, một loại vấu cam ứng với tốc độ thấp và vấu cam tốc độ cao cho mỗi xilanh.
Cơ cấu chuyển vấu cam được lắp bên trong cò mổ giữa xupáp và vấu cam. Áp suất dầu từ van điều khiển dầu của VVTL đến lỗ dầu trong cò mổ và áp suất này đẩy chốt hãm bên dưới chốt đệm. Nó cố định chốt đệm và ấn khớp cam tốc độ cao.
Khi áp suất dầu ngừng tác dụng, chốt hãm được trả về bằng lực của lò xo và chốt đệm được tự do. Điều này làm cho chốt đệm có thể di chuyển tự do theo hướng thẳng đứng và vô hiệu hóa vấu cam tốc độ cao.
Trục cam nạp và xả có các vấu cam với 2 hành trình khác nhau cho từng xylanh, và ECU động cơ chuyển những vấu cam này thành vấu cam hoạt động bằng áp suất dầu.
Tốc độ thấp và trung bình (tốc độ động cơ: dưới 6000 vòng/phút)
Như trong hình minh họa ở trên, van điều khiển dầu mở phía xả. Do đó, áp suất dầu không tác dụng lên cơ cấu chuyển vấu cam.
Áp suất dầu không tác dụng lên chốt chặn. Do đó, chốt chặn bị đẩy bằng lò xo hồi theo hướng nhả khóa. Như vậy, chốt đệm sẽ lặp lại chuyển động tịnh tiến vô hiệu hóa. Nó sẽ dẫn động xupáp bằng cam tốc độ thấp và trung bình.
Tốc độ cao (Tốc độ động cơ: trên 6000 vòng/phút, nhiệt độ nước làm mát: cao hơn 6000C).
Như trong hình vẽ bên trên, phía xả của van điều khiển dầu được đóng lại sao cho áp suất dầu tác dụng lên phía cam tốc độ cao của cơ cấu chuyển vấu cam.
Lúc này bên trong cò mổ, áp suất dầu đẩy chốt chặn đến dưới chốt đệm để giữ chốt đệm và cò mổ. Do đó, cam tốc độ cao ấn xuống cò mổ trước khi cam tốc độ thấp và trung bình tiếp xúc với con lăn. Nó dẫn động các xupáp bằng cam tốc độ cao. ECU động cơ đồng thời phát hiện rằng vấu cam đã được chuyển sang vấu cam tốc độ cao dựa trên tín hiệu từ công tắc áp suất dầu.
Công nghệ VTEC của Honda.
Hệ thống VTEC nhằm cải thiện hiệu suất động cơ ở tốc độ thấp và cao bằng cách bố trí hai loại vấu cam ở mỗi xilanh, vấu cam tốc độ thấp và vấu cam tốc độ cao. Tùy theo điều kiện làm việc cụ thể của động cơ mà sử dụng loại vấu cam phù hợp.
Ở dải tốc độ thấp, thời gian mở xupáp được 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, độ mở xupáp và thời gian mở xupáp được tăng lên, không khí được nạp vào nhiều hơn. Hệ thống cung cấp cho xe khả năng di chuyển tốt ở tốc độ thấp và tăng hiệu suất động cơ khi tốc độ xe tăng lên.
Qua nhiều năm phát triển, các động cơ của Honda đã sử dụng qua năm loại hệ thống VTEC khác nhau gồm: (1) VTEC có một trục cam đặt trên gọi là SOHC; (2) VTEC-E tiết kiệm nhiên liệu; (3) VTEC có hai trục cam đặt trên DOHC; (4) VTEC có xilanh không tải và (5) công nghệ i-VTEC thông minh. Kết cấu của 5 modun trên khác nhau nhưng nói chung chúng giống nhau về mặt nguyên lý vì tất cả đều sử dụng loại trục cam có vấu kép, một vấu dùng khi tốc độ thấp và một vấu dùng ở tốc độ cao. Ở dải tốc độ thấp, các xupáp mở ít và thời gian mở ngắn lại do tốc độ của vấu cam giảm.
Hiệu quả thực tế của công nghệ VTEC phụ thuộc vào điều kiện chạy xe và kiểu xe. Bộ điều khiển trung tâm ECM/PCM liên tục theo dõi sự thay đổi tình trạng hoạt động của động cơ như tải trọng, số vòng quay và tốc độ chạy xe. Dựa vào các thông số đầu vào này, ECM/PCM sẽ xác định và tính toán để kích hoạt hoặc hủy bỏ chế độ VTEC.
Khi tốc độ động cơ tăng lên, lượng không khí và nhiên liệu cần thiết cũng tăng lên. Nếu các điều kiện như nhiệt độ nước làm mát động cơ, áp suất đường ống nạp, tốc độ động cơ và tốc độ di chuyển của xe đạt đến một giá trị nào đó, hệ thống sẽ chuyển từ vấu cam tốc độ thấp sang vấu cam tốc độ cao. Nhờ vậy, độ mở xupáp và thời gian xupáp mở tăng lên.
PCM/ECM điều khiển hoạt động của VTEC nhờ tín hiệu điện. Khi PCM/ECM kích hoạt VTEC, công tắc áp suất dầu được bật lên, dầu qua van trượt theo đường ống dẫn đến tác động vào piston nối, piston này sẽ dịch chuyển sang phải để nối hai cụm cò mổ lại với nhau, chuyển động đồng thời.
Chúng ta hãy quan sát hình ảnh hoạt động của một hệ thống VTEC với một trục cam đặt trên, mỗi cụm cò mổ gồm hai cò mổ tốc độ thấp ở hai bên và một cò mổ tốc độ cao ở giữa.
Ở dải tốc độ thấp, các cò mổ tốc độ thấp và tốc độ cao chuyển động riêng rẽ. Các xu páp mở ra ít và thời gian mở ngắn. Ở dải tốc độ cao, PCM/ECM kích hoạt để VTEC hoạt động, các piston nối dưới tác động của dầu thủy lực sẽ di chuyển để nối các cò mổ tốc độ thấp và tốc độ cao với nhau thành mối khối. Lúc này, các xu páp mở ra nhiều hơn và thời gian mở tăng lên. Không khí được nạp vào nhiều hơn, công suất động cơ tăng lên nhanh chóng. Hình ảnh động dưới đây sẽ giúp các bạn dễ hình dung hơn hoạt động của một hệ thống VTEC kiểu SOHC.
Mivec của hãng Mitsubishi.
MIVEC (Mitsubishi Innovative Valve timing Electronic Control system) là tên viết tắt của công nghệ động cơ với xupáp nạp biến thiên được phát triển bởi hãng Mitsubishi. Cũng tương tự như các hệ thống với xupáp nạp biến thiên được đề cập kỳ trước, hệ thống này cũng có khả năng thay đổi hành trình hoặc thời gian đóng mở các xupáp bằng cách sử dụng hai loại vấu cam khác nhau. Ở dải tốc độ thấp, vấu cam nhỏ dẫn động các xupáp, động cơ hoạt động ở trạng thái không tải ổn định, lượng khí thải giảm và mômen xoắn tăng lên ở tốc độ thấp. Khi vấu cam lớn được kích hoạt, tốc độ tăng lên, các xupáp được mở rộng hơn và thời gian mở xupáp tăng lên. Bởi vậy làm tăng lượng khí nạp trong buồng cháy, công suất và mômen xoắn tăng, dải tốc độ động cơ được mở rộng.
Động cơ 4G92 đầu tiên của Mitsubishi sử dụng công nghệ MIVEC
MIVEC được Mitsubishi giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1992 trên động cơ 4G92, dung tích 1597 cc, DOHC không tăng áp, 4 xilanh thẳng hàng, mỗi xilanh gồm hai xupáp nạp và hai xupáp xả. Thế hệ công nghệ này ra đời với tên gọi “Mitsubishi Innovative Valve timing and lift Electronic Control”. Chiếc xe đầu tiên sử dụng công nghệ này là chiếc hatchback Mitsubishi Mirage và chiếc sedan Mitsubishi Lancer. Trong khi một động cơ 4G92 thông thường sinh ra công suất 145 mã lực ở tốc độ 7000 vòng/phút thì một động cơ được trang bị công nghệ MIVEC có thể sinh ra tới 175 mã lực ở vòng tua 7500 vòng/phút. Một số các cải tiến về công nghệ khác cũng được ứng dụng khi công nghệ này được áp dụng rộng rãi vào năm 1994 trên xe Mitsubishi FTO. Mặc dù vậy các thiết kế mới nhằm nâng cao hiệu suất vẫn phải đảm bảo tính tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm khí thải ở dòng xe Mitsubishi.
Chiếc Mitsubishi Grandis sử dụng công nghệ MIVEC
Hoạt động.
Nhằm tối ưu hiệu suất động cơ ở giải tốc độ thấp và trung bình, mặt khác lại nâng cao công suất ở vòng tua cao, hệ thống MIVEC đạt được cả hai mục tiêu trên nhờ chủ động điều khiển cả thời điểm và khoảng thời gian đóng mở xupáp. Hệ thống MIVEC điều khiển hoán đổi các vấu cam có cùng chức năng. Một số các loại xe đua thể thao đã áp dụng biện pháp công nghệ này nhằm mục đích sinh ra nhiều công suất hơn. Việc chuyển đổi vấu cam được thực hiện một cách tự động nhờ các ECU của hệ thống MIVEC, dựa trên các tín hiệu đầu vào như tốc độ động cơ, số vòng quay trục khuỷu, nhiệt độ nước làm mát, độ mở bướm ga,…ECU sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển để kích hoạt hoặc hủy chế độ MIVEC.
Hai cam có hai biên dạng khác nhau được sử dụng ở hai chế độ khác nhau của động cơ: một cam có biên dạng nhỏ, dùng ở dải tốc độ thấp mà ta gọi tắt là cam tốc độ thấp và vấu cam còn lại có biên dạng lớn hơn, dùng ở dải tốc độ cao gọi tắt là cam tốc độ cao. Các vấu cam tốc độ thấp và các trục cò mổ, dẫn động các xupáp nạp, đặt đối xứng nhau qua cam tốc độ cao ở giữa. Mỗi xupáp nạp được dẫn động bởi một cam tốc độ thấp và trục cò mổ. Để chuyển sang cam tốc độ cao, một tay đòn chữ T được ép vào các khe ở đỉnh trục cò mổ của cam tốc độ thấp. Điều này cho phép các cam tốc độ cao dịch chuyển cùng với cam tốc độ thấp. Lúc này các xupáp thay đổi hành trình khi được dẫn động bởi cam tốc độ cao.
Ở dải tốc độ thấp, tay đòn chữ T trượt ra khỏi khe một cách tự do, cho phép các cam tốc độ thấp dẫn động các xupáp. Ở dải tốc độ cao, áp suất thủy lực đẩy piston thủy lực lên, bởi vậy tay đòn chữ T lại trượt vào các khe cò mổ để chuyển sang vận hành với các cam tốc độ cao.
Nói chung, chế độ MIVEC được kích hoạt để chuyển sang vấu cam tốc độ cao khi tốc độ động cơ tăng và chuyển sang vấu cam tốc độ thấp khi tốc độ động cơ giảm. Ở dải tốc độ thấp, thời gian đóng mở các xu páp nạp và xả trùng nhau tăng để tăng sự ổn định ở chế độ không tải. Khi tăng tốc, thời điểm xupáp nạp đóng được làm chậm lại để giảm áp lực ngược đồng thời cải thiện hiệu suất khí nạp, giúp tăng công suất động cơ cũng như giảm hệ số ma sát.
Hệ thống MIVEC điều khiển bốn chế độ vận hành tối ưu của động cơ như sau:
• Trong hầu hết các điều kiện làm việc, để đảm bảo hiệu suất nhiên liệu cao nhất, thời gian đóng xupáp trùng nhau tăng lên để giảm tổn thất bơm. Thời điểm xupáp xả mở được làm chậm lại để tăng tỷ số nén, tăng tính kinh tế của nhiên liệu.
• Khi cần công suất cực đại (tốc độ và tải trọng cao), thời điểm đóng xupáp nạp được làm chậm lại để đồng nhất hóa không khí nạp với thể tích nạp là lớn nhất.
• Ở dải tốc độ thấp và tải nặng, MIVEC đảm bảo tối ưu mômen xoắn do thời điểm xupáp nạp đóng được làm sớm hơn để đảm bảo đủ lượng khí nạp. Cùng lúc đó, thời điểm xupáp xả mở được làm chậm lại để tăng tỷ số nén và cải thiện hiệu suất động cơ.
• Ở chế độ không tải, thời điểm xupáp xả và nạp trùng nhau được loại bỏ để ổn định quá trình cháy.
Công nghệ Valvetronic của hãng BMW.
Động cơ Valvetronic của hãng BMW là động cơ đầu tiên trên thế giới không sử dụng bướm ga. BMW phát triển công nghệ này với mục tiêu tiết kiệm được khoảng 10% nhiên liệu so với các loại động cơ thông thường khác.
Để hiểu tại sao một động cơ không có bướm ga lại có khả năng tiết kiệm được nhiên liệu thì điều đầu tiên bạn phải hiểu được nguyên lý hoạt động của một động cơ thông thường. Khi đạp hết ga nghĩa bạn không thể khống chế được lượng nhiên liệu phun vào buồng cháy (điều này dẫn đến sự thay đổi tỷ lệ không khí-nhiên liệu dẫn đến nổ ngược) cũng như lượng không khí đi vào các xilanh. Trong hệ thống vòi phun nhiên liệu, lượng không khí đi qua bướm ga sẽ được giám sát chặt chẽ và căn cứ vào đó, hệ thống điều chỉnh lượng nhiên liệu cho phù hợp. Khi bướm ga càng mở rộng, không khí đi vào buồng cháy càng nhiều, công suất động cơ tăng lên.
Hơn nữa, khi bướm ga mở rất ít (khi đạp ga một cách đều đặn, xe xuống dốc hoặc đường khá trơn nhẵn), mở một phần hoặc thậm chí đóng lại gần như hoàn toàn. Trong khi đó, các piston vẫn di chuyển, hút một phần không khí còn lại trong đường ống nạp khí đã được đóng kín. Không cần phải giải thích quá nhiều, bạn đọc cũng có thể dễ dàng hình dung ra rằng trong đường ống dẫn khí nạp, phần giữa bướm ga và buồng cháy sẽ tự hình thành chân không trong đó, để chống lại lực hút/lực bơm hút của các piston. Do vậy làm tổn hao một phần năng lượng. Động cơ càng chạy chậm bao nhiêu, bướm ga càng đóng kín bao nhiêu thì càng tiêu tốn nhiều năng lượng.
Công nghệ Valvetronic đã loại bỏ sự có mặt của bướm ga để tiết kiệm nhiên liệu, đặc biệt ở dải tốc độ thấp của động cơ. Qua quy trình kiểm tra thành phần khí thải của EU bao gồm ở cả dải tốc độ cao và thấp, một động cơ Valvetronic 1,8L tiết kiệm được khoảng 5,3 lít nhiên liệu trên 100 km. Hơn nữa không giống với hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp (hệ thống nhiên liệu phổ biến nhất hiện nay) không cần thiết phải sử dụng loại xăng có hàm lượng lưu huỳnh thấp.
Không có bướm ga, vậy làm sao để hệ thống này có thể khống chế lượng không khí đi vào các xilanh? Bí ẩn nằm ở việc áp dụng biện pháp công nghệ để thay đổi độ mở của xupáp. Valvetronic chứa một hệ thống cò mổ có khả năng thay đổi một cách linh hoạt khi tác động lên các xupáp. So với các loại động cơ có hai loại vấu cam thông thường khác, nó sử dụng một trục truyền động lệch tâm, một mô tơ điện và một số cò mổ trung gian. Tùy theo tín hiệu điện từ bộ điều khiển ECU sẽ kích hoạt mô tơ điều khiển góc xoay của trục lệch tâm, trục này sẽ xoay đi một góc nào đó khiến cò mổ trung gian ấn sâu hơn khi tác động lên các trục đòn gánh, trục đòn gánh này có nhiệm vụ đóng hoặc mở các xu páp. Nếu cò mổ đẩy các trục đòn gánh vào sâu hơn, các xupáp nạp sẽ mở rộng hơn và ngược lại.
So với công nghệ VTEC của Honda, Valvetronic cũng sử dụng xupáp thay đổi hành trình để tăng công suất như VTEC nhưng đáng tiếc, Valvetronic quả thực ít hiệu quả ở khả năng tiết kiệm nhiên liệu ở số vòng quay cao hơn so VTEC. Quan sát hình ảnh trên đây, các bạn co thể nhận thấy trục cam dẫn động các cò mổ trung gian, tiếp đó tác động vào các trục đòn gánh khiến phát sinh ra khá nhiều lực ma sát. Bởi vậy mà tính hiệu quả và cải tiến của Valvetronic đã giảm đi rất nhanh ở số vòng tua lớn hơn 6.000 vòng/phút. Không ngạc nhiên khi trong tương lai BMW không trang bị Valvetronic cho các động cơ M-power của họ.
Công nghệ VVEL của Nissan.
Cũng tương tự như các công nghệ đã được đề cập ở trên. Đó là công nghệ có sự phối hợp vừa chặt chẽ, vừa độc lập ở khả năng điều khiển thông minh thời điểm đóng mở xupáp và độ mở của xupáp nạp. Nissan gọi công nghệ của họ là Variable Valve Event and Lift (VVEL) và Continuous Valve Timing control (C-VTC). Hệ thống VVEL sử dụng một số mối liên kết được bố trí một cách thông minh để tác động lên các xupáp và nhờ một động cơ điện nhận tín hiệu điều khiển từ ECU sẽ quay trục dẫn động đi một góc phù hợp, nó làm dịch chuyển bản lề nối với thanh dẫn, rồi tác động lên các trục riêng biệt. Do sự dịch chuyển của trục bản lề mà độ mở của các xupáp cũng thay đổi theo tương ứng.
Công nghệ mới của Nissan đã thu được những hiệu quả nhất định. Cũng loại bỏ sự có mặt của các bướm ga và tổn thất bơm của các piston, việc thay đổi hành trình của các xupáp có thể dễ dàng làm thay đổi tốc độ động cơ. Không có các cánh lưu thông gió như động cơ có bướm ga nhưng khả năng phản ứng nhanh nhạy của động cơ lại tăng lên, không giống với động cơ có bướm ga phản ứng lại khá chậm khi đạp và bàn đạp ga. Lượng CO2 trong khí thải giảm 10% với động cơ có hệ thống VVEL. Lợi ích lớn nhất thu được có thể dễ nhận thấy ở dải tốc độ thấp và trung bình nhưng ở giải tốc độ cao nhất thì hiệu quả lại giảm đi. Bên cạnh đó, khả năng tăng độ mở của xupáp cho phép tạo ra mômen xoắn cao hơn ở vòng tua cao.
Hình ảnh chuyển động
Khi xe mới khởi động và cần phải được làm nóng nhanh để tăng hiệu suất nhiên liệu, hệ thống VVEL và C-VTC sẽ tối ưu hóa số lần tác động lên các xupáp để nhanh chóng làm nóng khí xả, kích hoạt bộ lọc xúc tác nhanh hơn, cải thiện sự phân tán nhiên liệu và cải thiện quá trình cháy.
Hệ thống VVEL và C-VTC là một phần của Chương trình phát triển công nghệ xanh đến năm 2010 của Nissan, mục tiêu của chương trình nhằm giảm lượng CO2 trong khí thải của động cơ xăng đến mức thấp nhất và là công nghệ mang tính toàn cầu đến năm 2010.
Các ưu điểm nổi bật của công nghệ VVEL
Tăng hiệu suất nhiên liệu.
Ở dải tải trọng từ thấp đến trung bình, VVEL kiểm soát lượng không khí nạp vào qua xupáp nạp trước khí nó vào trong buống cháy. Khác với động cơ thông thường, không khí được nạp vào qua bướm ga, biện pháp này làm tăng hiệu suất bởi lưu lượng khí đi vào trong xilanh dễ dàng hơn.
Ở dải tốc độ thấp và trung bình, xupáp nạp được mở ít để giảm ma sát của trục cam và cải thiện hiệu suất nhiên liệu.
Tăng tốc nhạy cảm hơn.
VVEL khống chế lượng không khí nạp qua xupáp nạp, cải thiện độ nhạy khi cần tăng tốc bằng cách tăng mật độ khí nạp vào trong xilanh từ lúc bát đầu tăng tốc.
Tăng công suất.
Ở dải tốc độ thấp, thời gian các xupáp nạp mở được rút ngắn để ngăn hỗn hợp nhiên liệu – không khí chảy ngược lại đường ống nạp, cải thiện mômen xoắn. Ở dải tốc độ cao, thời gian xupáp nạp mở được kéo dài cho phép tăng lượng khí nạp vào, nhờ vậy mômen xoắn tăng lên.
Cải thiện khí thải.
Việc định thời xu páp nạp được tối ưu hóa trong quá trình khởi động khi động cơ vẫn còn nguội để tăng nhiệt độ của khí xả lên một cách nhanh chóng và kích hoạt bộ lọc xúc tác một cách nhanh nhất.
Lượng hydrocacbon trong khí xả được giảm đi ở dải tốc độ thấp và trung bình bằng cách duy trì độ mở của xu páp nạp ở mức thấp. Tốc độ khí nạp và độ phân tán của nhiên liệu dưới dạng sương mù khá hoàn hảo. Kết quả là hiệu quả của cả quá trình cháy tăng lên.
VVEL cải thiện hiệu suất nhiên liệu một cách tốt nhất ở dải tốc độ thấp và trung bình. Do vậy nó phù hợp nhất với động cơ có nhiều xilanh và dung tích lớn.
