Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong lịch sử phát triển của động cơ đốt trong, chu trình hoạt động cơ bản gồm bốn kỳ Nạp – Nén – Nổ – Xả vẫn giữ vai trò nền tảng. Về mặt lý thuyết, bốn quá trình này được phân bố đều trong 720° góc quay trục khuỷu, tương ứng 180° cho mỗi chu trình. Tuy nhiên, trong điều kiện làm việc thực tế, để động cơ đạt được công suất tối đa và hiệu suất tối ưu, quá trình nạp cần phải đạt trạng thái "nạp đầy" và quá trình xả phải đạt trạng thái "thải sạch". Điều này đòi hỏi thời gian dành cho quá trình nạp và xả phải được kéo dài hơn, đồng thời rút ngắn tương đối hai quá trình nén và nổ. Cơ cấu phân phối khí truyền thống với góc phối khí cố định không thể đáp ứng tối ưu yêu cầu làm việc ở các dải vận tốc và phụ tải khác nhau.

Đề tài "Cơ cấu phân phối khí thông minh trên xe Corolla Altis 2015" được tác giả Chu Văn Phong thực hiện dưới sự hướng dẫn của giảng viên Nguyễn Phi Trường tại Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội (năm 2021). Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án bao gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan về lý thuyết phân phối khí trên động cơ đốt trong 2 kỳ và 4 kỳ, cùng các công nghệ điều khiển van biến thiên phổ biến trên ô tô hiện đại.
  2. Khảo sát chi tiết kết cấu và nguyên lý hoạt động của hệ thống điều phối van biến thiên thông minh kép (Dual VVT-i) trên động cơ 2ZR-FE trang bị trên xe Toyota Corolla Altis 2015.
  3. Phân tích các dạng hư hỏng thường gặp, xác định nguyên nhân và xây dựng quy trình kiểm tra, chẩn đoán bằng máy chẩn đoán chuyên dụng, cũng như quy trình tháo lắp, sửa chữa các cụm chi tiết cơ khí - thủy lực của hệ thống.

Đối tượng nghiên cứu trọng tâm là hệ thống phân phối khí Dual VVT-i trên dòng xe Toyota Corolla Altis phiên bản 2015 sử dụng động cơ xăng 2ZR-FE dung tích 1.8L. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong kết cấu cơ khí, mạch dầu thủy lực, các trạng thái điều khiển điện tử của ECU động cơ và quy trình kỹ thuật sửa chữa bảo dưỡng tại xưởng thực hành.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng nhiệt động học động cơ đốt trong và lý thuyết kết cấu cơ khí ô tô. Tác giả tổng hợp các nguyên lý trao đổi khí trong buồng cháy, đối chiếu hiệu quả nạp - xả giữa động cơ 2 kỳ (sử dụng các phương pháp quét khí qua hộp cácte, quét vòng, quét thẳng) và động cơ 4 kỳ (sử dụng cơ cấu cam - xupáp đặt hoặc xupáp treo). Đồng thời, đồ án khảo cứu các giải pháp biến thiên pha phân phối khí của các hãng sản xuất ô tô lớn như công nghệ VTEC / i-VTEC (Honda), VCT (Ford), MIVEC (Mitsubishi) và VVT / VVT-i / Dual VVT-i (Toyota).

Phương pháp nghiên cứu được triển khai bao gồm:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Thu thập, đối chiếu các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn từ tài liệu sửa chữa của Toyota cho mẫu xe Corolla Altis 2015 động cơ 2ZR-FE.
  • Phương pháp khảo sát kết cấu và nguyên lý điều khiển: Giải phẫu chức năng của từng cụm chi tiết (bộ điều khiển VVT-i bánh răng cam nạp/xả, van điều khiển dầu OCV, mạng lưới cảm biến đầu vào và bộ xử lý trung tâm ECU).
  • Phương pháp quy trình hóa kỹ thuật chẩn đoán: Thiết lập các bước chẩn đoán kiểm tra chức năng hệ thống thông qua cổng giao tiếp DLC3 bằng máy chẩn đoán chuyên dụng, kết hợp quy trình sửa chữa phục hồi mặt đế xupáp trên nắp quy lát.

Nguồn dữ liệu kỹ thuật sử dụng trong đồ án dựa trên tài liệu kỹ thuật chính hãng Toyota, các thông số động cơ và khung vỏ xe Corolla Altis 1.8G 2015.

Thiết kế kết cấu và thông số kỹ thuật hệ thống

Hệ thống điều phối van biến thiên thông minh kép (Dual VVT-i) trên xe Toyota Corolla Altis 2015 can thiệp độc lập vào thời điểm đóng/mở của cả trục cam nạp và trục cam xả thông qua áp suất thủy lực điều khiển bằng van điện từ.

Hạng mục thông số Giá trị kỹ thuật trên xe Toyota Corolla Altis 2015
Mã động cơ 2ZR-FE (16 van DOHC, Dual VVT-i, hệ thống nạp ACIS)
Số xy lanh & Bố trí 4 xy lanh thẳng hàng (In-line)
Dung tích công tác 1798 cc
Công suất tối đa 138 HP (103 kW) tại 6400 vòng/phút
Mô-men xoắn tối đa 172 Nm tại 4000 vòng/phút
Hệ thống cung cấp nhiên liệu Phun xăng điện tử EFI (Tiêu chuẩn khí thải Euro 4)
Hộp số & Dẫn động Số tự động vô cấp (CVT) / Dẫn động cầu trước (FWD)
Mức tiêu thụ nhiên liệu 8.6 L/100km (Trong đô thị) / 5.2 L/100km (Ngoài đô thị)
Trọng lượng bản thân / Toàn tải 1265 kg / 1670 kg
Dung tích bình nhiên liệu / Khoang hành lý 55 L / 470 L
Hệ thống treo (Trước / Sau) MacPherson có thanh cân bằng / Bán phụ thuộc thanh xoắn có thanh cân bằng
Hệ thống phanh (Trước / Sau) Đĩa tản nhiệt / Đĩa đặc

Pha phân phối khí của hệ thống Dual VVT-i trên động cơ 2ZR-FE có khả năng thay đổi liên tục trong các giới hạn:

Cơ cấu Thời điểm mở Thời điểm đóng
Xupáp nạp Mở trước ĐCT: $10^\circ \div 56^\circ$ Đóng sau ĐCD: $65^\circ \div 10^\circ$
Xupáp xả Mở trước ĐCD: $51^\circ \div 11^\circ$ Đóng sau ĐCT: $30^\circ \div 43^\circ$

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan về hệ thống phân phối khí động cơ đốt trong

Chương này trình bày toàn diện lý thuyết nền tảng về cơ cấu phân phối khí trên động cơ đốt trong:

  • Nhiệm vụ và yêu cầu: Hệ thống có nhiệm vụ nạp đầy hỗn hợp hòa khí hoặc không khí sạch vào xylanh trong kỳ nạp và thải sạch khí cháy ra ngoài trong kỳ xả. Yêu cầu kỹ thuật bao gồm: đóng mở đúng thời điểm quy định, độ mở đủ lớn cho lưu thông khí, đảm bảo độ kín khít tuyệt đối trong kỳ nén và nổ, kết cấu dễ điều chỉnh và bảo dưỡng.
  • Hệ thống phân phối khí động cơ 2 kỳ: Quá trình nạp - thải chỉ chiếm khoảng $120^\circ \div 150^\circ$ góc quay trục khuỷu. Tác giả phân tích 5 kết cấu quét thải: quét vòng đặt ngang hướng song song (dùng cácte nén khí), quét vòng đặt ngang hướng lệch tâm (cửa quét nghiêng $30^\circ$ so với tâm xylanh), quét vòng đặt ngang phức tạp (có van một chiều), quét vòng đặt một bên (nghiêng $15^\circ$), và quét thẳng qua xupáp thải trên nắp máy.
  • Hệ thống phân phối khí động cơ 4 kỳ: So sánh hai phương án bố trí:
    • Xupáp đặt: Chiều cao máy nhỏ, dẫn động đơn giản, nhưng buồng cháy không gọn, diện tích truyền nhiệt lớn, khó tăng tỷ số nén (thường chỉ áp dụng cho tỷ số nén $< 7.5$).
    • Xupáp treo: Buồng cháy nhỏ gọn, giảm tổn thất nhiệt, tăng tỷ số nén thêm từ $0.5 \div 2$ đơn vị, tăng hệ số nạp từ $5% \div 7%$.
    • Các phương án dẫn động trục cam: Dẫn động bánh răng (khe hở ăn khớp yêu cầu $0.1 \div 0.25\text{ mm}$), dẫn động bằng xích (có bộ căng xích chống rão), và dẫn động bằng đai răng.
  • Các công nghệ van biến thiên phổ biến:
    • Honda VTEC & i-VTEC: Cơ cấu 3 cò mổ liên kết bằng chốt piston thủy lực; 4 tính năng mở rộng gồm VLD (thay đổi độ nâng), VTC (điều khiển thời điểm), PVD (vô hiệu hóa 1 xupáp tạo xoáy lốc), và DVO (treo toàn bộ xupáp để ngắt xy lanh).
    • Ford VCT: Sử dụng áp suất thủy lực xoay trục cam nạp một góc tối đa $40^\circ$ theo góc quay trục khuỷu.
    • Mitsubishi MIVEC: Sử dụng tay đòn chữ T điều khiển chuyển đổi giữa vấu cam tốc độ thấp và vấu cam tốc độ cao.

Chương II: Kết cấu, nguyên lý làm việc cơ cấu phân phối khí trên xe Toyota Altis

Chương này đi sâu vào chi tiết hệ thống Dual VVT-i trên xe Toyota Corolla Altis 2015:

  • Nguyên lý điều khiển điện tử - thủy lực: ECU thu nhận dữ liệu từ cảm biến vị trí trục khuỷu, cảm biến vị trí bướm ga và cảm biến lưu lượng khí nạp (dữ liệu chủ động); cảm biến nhiệt độ nước làm mát (dữ liệu hiệu chỉnh); cảm biến vị trí trục cam và cảm biến oxy (dữ liệu phản hồi thực tế). Lệnh điều khiển được tính toán trong vài phần nghìn giây để cấp xung điện đến van điều khiển dầu phối khí trục cam (OCV).
  • Nguyên lý hoạt động theo các chế độ tải (Range 1 đến Range 5):
    • Chế độ không tải (Range 1) & Tải nhẹ (Range 2): Thời điểm phối khí của trục cam nạp được làm trễ lại, độ trùng lặp xupáp giảm xuống mức nhỏ nhất nhằm tránh khí xả dội ngược về đường nạp, giúp ổn định tốc độ cầm chừng và tiết kiệm nhiên liệu.
    • Chế độ tải trung bình (Range 3): Thời điểm mở xupáp nạp được điều chỉnh sớm lên, tăng độ trùng lặp xupáp để kích hoạt quá trình luân hồi khí xả nội bộ (EGR nội bộ), giảm tổn thất bơm khí và giảm phát thải độc hại.
    • Tốc độ thấp đến trung bình ở tải nặng (Range 4): Xupáp nạp được đóng sớm để ngăn hòa khí bị đẩy ngược lại đường nạp, tối ưu hóa hệ số nạp và gia tăng mô-men xoắn.
    • Tốc độ cao ở tải nặng (Range 5): Thời điểm đóng xupáp nạp được làm trễ tối đa nhằm tận dụng quán tính dòng khí nạp tốc độ cao, gia tăng công suất đầu ra.
    • Khi khởi động, dừng máy hoặc nhiệt độ thấp: Góc trùng lặp xupáp được khóa ở mức nhỏ nhất để chống hiện tượng cháy không kiệt và hỗ trợ khởi động tin cậy.
  • Kết cấu bộ chấp hành:
    • Bộ điều khiển VVT-i nạp và xả: Vỏ ngoài gắn liền đĩa xích cam, bên trong gồm cánh gạt 4 cánh cố định vào đầu trục cam. Có chốt hãm thủy lực và lò xo trợ lực (trên bộ VVT-i xả) để khóa trục cam nạp ở vị trí muộn nhất và trục cam xả ở vị trí sớm nhất khi tắt máy, ngăn tiếng gõ va đập cơ khí khi mới khởi động chưa có áp suất dầu.
    • Van điều khiển dầu phối khí trục cam (OCV): Gồm cuộn dây điện từ, van trượt điều hướng dòng dầu áp suất cao đến các khoang làm sớm hoặc làm muộn trong bộ điều khiển VVT-i.

Chương III: Một số hư hỏng, nguyên nhân và quy trình kiểm tra chuẩn đoán sửa chữa một số chi tiết

Chương cuối tập trung vào công tác kỹ thuật chẩn đoán và bảo dưỡng:

  • Nhận diện hư hỏng qua triệu chứng:
    • Tiếng kêu lách cách ở giàn cò: Do khe hở nhiệt xupáp quá lớn hoặc mòn ống dẫn hướng, làm giảm hành trình mở xupáp và sai lệch góc phân phối khí.
    • Động cơ sụt giảm công suất: Do khe hở nhiệt quá nhỏ, nấm xupáp và đế xupáp bị cháy rỗ gây lọt khí, làm suy giảm áp suất nén buồng cháy.
    • Tiếng gõ trầm ở thân máy: Khe hở giữa bạc lót và cổ trục cam quá lớn làm suy giảm áp suất mạch dầu bôi trơn.
    • Tiếng rào rào phía đầu động cơ: Khe hở ăn khớp bánh răng cam hoặc cơ cấu xích cam quá lớn, mòn hoặc sứt mẻ răng.
  • Quy trình chẩn đoán bằng thiết bị qua giắc DLC3:
    • Kết nối máy chẩn đoán vào giắc DLC3, khởi động động cơ, bật điều hòa A/C.
    • Truy cập menu: Powertrain $\rightarrow$ Engine and ECT $\rightarrow$ Active Test $\rightarrow$ Control the VVT Linear (Bank 1).
    • Kích hoạt van OCV trên máy chẩn đoán và quan sát sự thay đổi tốc độ động cơ; nếu phản hồi không đạt chuẩn, để nhiệt độ nước làm mát giảm xuống $\le 50^\circ\text{C}$ rồi thực hiện thử nghiệm kích hoạt lại.
  • Quy trình tháo lắp và sửa chữa cơ khí: Tháo kiểm tra cụm van OCV (đo điện trở cuộn dây, kiểm tra kẹt van trượt); quy trình rà phục hồi góc nghiêng mặt tựa đế xupáp nạp và xupáp xả trên nắp máy bằng bột rà và dụng cụ chuyên dùng.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hệ thống hóa và làm rõ các khía cạnh kỹ thuật sau:

  1. Xác lập bảng thông số hoạt động của hệ thống Dual VVT-i động cơ 2ZR-FE trên xe Altis 2015, chứng minh sự linh hoạt của góc mở sớm xupáp nạp ($10^\circ \div 56^\circ$ trước ĐCT) và đóng muộn xupáp xả ($30^\circ \div 43^\circ$ sau ĐCT) theo 5 vùng làm việc (Range 1 – Range 5).
  2. Làm rõ cấu tạo cơ - điện - thủy lực của cụm van OCV và bộ điều khiển cánh gạt 4 khoang có chốt khóa định vị và lò xo hồi vị trợ lực.
  3. Chuẩn hóa quy trình chẩn đoán lỗi hệ thống điều khiển van biến thiên bằng máy quét qua menu Active Test trên cổng DLC3, hỗ trợ kiểm tra không tháo rời.
  4. Đóng góp tài liệu mô tả trực quan các bước rà đế xupáp và kiểm tra van điều khiển dầu cho công tác thực hành sửa chữa động cơ Toyota thế hệ mới.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Đồ án chủ yếu tiếp cận theo phương pháp mô tả kết cấu, nguyên lý và quy trình chẩn đoán dựa trên tài liệu kỹ thuật của nhà sản xuất. Tài liệu chưa đi sâu vào việc lập trình giải thuật điều khiển ECU, chưa tiến hành đo đạc thực nghiệm các biểu đồ công suất/mô-men xoắn trên băng thử Dyno thực tế, và chưa phân tích chi tiết dòng chảy khí động học 3D trong đường nạp/xả khi thay đổi góc phối khí.
  • Hướng phát triển: Nghiên cứu mô phỏng động lực học chất lưu (CFD) dòng hòa khí qua xupáp theo từng góc mở thực tế; khảo sát sâu hơn các mã lỗi chuẩn đoán chuyên sâu (DTC liên quan đến mạch VVT-i) và mở rộng kiểm nghiệm phát thải trên các chế độ vận hành thực tế.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Ô tô / Cơ khí Động lực: Dùng làm tài liệu học tập, nghiên cứu các môn học Kết cấu động cơ đốt trong, Lý thuyết động cơ, và Chẩn đoán kỹ thuật ô tô.
  • Giảng viên và kỹ thuật viên thực hành: Tham khảo để xây dựng bài giảng thực hành kiểm tra hệ thống điều khiển điện tử động cơ, quy trình sử dụng máy chẩn đoán qua giắc DLC3 và thao tác phục hồi cơ cấu xupáp trên nắp quy lát xe Toyota.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống Dual VVT-i trên xe Corolla Altis 2015 khác biệt như thế nào so với hệ thống VVT-i thế hệ trước?
Hệ thống VVT-i thế hệ trước chỉ can thiệp điều chỉnh thời điểm đóng/mở trên trục cam nạp. Trong khi đó, hệ thống Dual VVT-i trên Corolla Altis 2015 điều khiển biến thiên độc lập thời điểm phối khí của cả hai trục cam nạp và xả, giúp tối ưu hóa triệt để quá trình nạp đầy và thải sạch ở mọi dải vận hành.

2. Phạm vi góc quay biến thiên của xupáp nạp và xupáp xả trên động cơ 2ZR-FE là bao nhiêu?
Xupáp nạp có góc mở trước ĐCT biến thiên từ $10^\circ$ đến $56^\circ$, góc đóng sau ĐCD từ $65^\circ$ đến $10^\circ$. Xupáp xả có góc mở trước ĐCD biến thiên từ $51^\circ$ đến $11^\circ$, góc đóng sau ĐCT từ $30^\circ$ đến $43^\circ$.

3. Tại sao ở chế độ tải trung bình (Range 3), ECU lại điều khiển tăng góc trùng lặp xupáp?
Ở chế độ tải trung bình, ECU tăng góc trùng lặp xupáp (cả van nạp và xả cùng mở) nhằm tạo hiện tượng luân hồi khí xả nội bộ (EGR nội bộ). Quá trình này giúp giảm nhiệt độ đỉnh buồng cháy, giảm phát thải khí độc hại và giảm tổn thất năng lượng do lực cản bơm khí.

4. Chốt khóa cơ khí trong bộ điều khiển VVT-i có nhiệm vụ gì khi động cơ dừng hoạt động?
Khi động cơ tắt máy và áp suất dầu bôi trơn giảm về 0, chốt khóa sẽ gài trục cam nạp ở vị trí muộn nhất và trục cam xả ở vị trí sớm nhất (kết hợp với lực đẩy của lò xo trợ lực bên xả). Cơ cấu này đảm bảo động cơ khởi động dễ dàng ở lần tiếp theo và ngăn chặn hiện tượng va đập gây tiếng gõ cơ khí khi áp suất dầu chưa kịp thiết lập.

5. Khi chẩn đoán cụm van điều khiển dầu (OCV) bằng máy chẩn đoán, kỹ thuật viên cần thao tác vào menu nào?
Kỹ thuật viên kết nối thiết bị với giắc DLC3, khởi động động cơ, bật A/C và truy cập theo đường dẫn: Powertrain $\rightarrow$ Engine and ECT $\rightarrow$ Active Test $\rightarrow$ Control the VVT Linear (Bank 1) để kích hoạt van và kiểm tra sự thay đổi tốc độ vòng tua động cơ.

Kết luận

Đồ án chuyên ngành của tác giả Chu Văn Phong đã hệ thống hóa đầy đủ cơ sở lý thuyết phân phối khí và phân tích chi tiết kết cấu, nguyên lý vận hành của hệ thống Dual VVT-i trên xe Toyota Corolla Altis 2015 sử dụng động cơ 2ZR-FE. Công trình làm rõ cơ chế phối hợp điện - thủy lực giúp động cơ đạt công suất 138 HP và mức tiêu thụ nhiên liệu 5.2 L/100km ngoài đô thị. Đồng thời, đồ án cung cấp quy trình chẩn đoán chủ động bằng thiết bị quét qua cổng DLC3 và phương pháp sửa chữa cơ khí chính xác, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật trong đào tạo và dịch vụ bảo dưỡng ô tô.