Đồ án nghiên cứu phân phối khí thông minh Dual VVT-i trên Toyota Camry

Đồ án cơ điện tử ô tô nghiên cứu hệ thống điều khiển cơ cấu phân phối khí thông minh, tối ưu hóa công suất, tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải.

• Tác giả: Nguyễn Quang Đại
• Người hướng dẫn: PGS. TS Bùi Hải Triều
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ GTVT
• Chuyên ngành: Cơ điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu hệ thống điều khiển cơ cấu phân phối khí thông minh trên ô tô
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống điều khiển phân phối khí thông minh

Hệ thống điều khiển phân phối khí thông minh (VVT) là công nghệ tiên tiến ứng dụng trong động cơ đốt trong nhằm tối ưu hóa quá trình trao đổi khí thông qua điều chỉnh linh hoạt thời điểm mở đóng xupáp nạp và thải. Hệ thống này sử dụng các bộ truyền động thủy lực hoặc điện tử kết hợp với ECU để điều khiển trục cam, đảm bảo hiệu suất động cơ ở mọi chế độ vận hành. So với hệ thống phân phối khí truyền thống, công nghệ VVT cải thiện đáng kể công suất, tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải. Tại Việt Nam, hệ thống VVT được ứng dụng rộng rãi trên các dòng xe cao cấp như Toyota Camry, Honda Accord nhằm đáp ứng nhu cầu vận hành ổn định và thân thiện môi trường.

1.1. Nguyên lý hoạt động cơ bản

Hệ thống VVT hoạt động dựa trên nguyên tắc điều chỉnh góc quay trục cam so với trục khuỷu thông qua bộ truyền động thủy lực. ECU xử lý tín hiệu từ cảm biến (vị trí trục cam, lưu lượng khí nạp, nhiệt độ nước làm mát) để tính toán thời điểm mở đóng xupáp tối ưu. Bộ điều khiển VVT-i (Variable Valve Timing with intelligence) trên Toyota Camry sử dụng van điều khiển dầu (OCV) để điều chỉnh áp suất dầu cấp cho bộ truyền động, thay đổi góc quay trục cam trong phạm vi 50° (nạp) và 40° (thải). Cơ chế này cho phép động cơ hoạt động hiệu quả ở mọi tốc độ vòng tua, từ chế độ khởi động đến tải nặng.

1.2. Phân loại hệ thống điều khiển phân phối khí

Hệ thống điều khiển phân phối khí thông minh được phân loại thành hai loại chính: hệ thống điều khiển thời gian (VVT) và hệ thống điều khiển thời gian cùng biên độ (VVL). Hệ thống VVT chỉ điều chỉnh thời điểm mở đóng xupáp, trong khi VVL còn thay đổi hành trình xupáp. Ngoài ra, còn có hệ thống điều khiển hoàn toàn không trục cam (Camless) như FREEVALVE sử dụng cơ cấu điện từ. Tại Việt Nam, hệ thống Dual VVT-i (điều khiển cả trục cam nạp và thải) phổ biến trên xe Toyota, trong khi Honda ưu tiên công nghệ VTEC kết hợp VVT. Mỗi loại hệ thống có ưu nhược điểm riêng về chi phí, độ phức tạp và hiệu suất.

II. Phân tích các vấn đề trong hệ thống phân phối khí truyền thống

Hệ thống phân phối khí truyền thống sử dụng trục cam cố định và cơ cấu dẫn động cơ khí, gây hạn chế về hiệu suất động cơ do không thể điều chỉnh thời điểm mở đóng xupáp theo chế độ vận hành. Tại tốc độ thấp, hệ thống này thường gây thất thoát năng lượng do xupáp đóng mở không đúng thời điểm, dẫn đến giảm mô men xoắn. Ở tốc độ cao, hiện tượng trễ khí nạp thải xảy ra do quán tính của cơ cấu cơ khí, ảnh hưởng đến công suất cực đại. Ngoài ra, hệ thống truyền thống tiêu tốn nhiên liệu nhiều hơn do không tối ưu hóa quá trình trao đổi khí. Tại Việt Nam, vấn đề này càng trở nên nghiêm trọng khi động cơ hoạt động trong điều kiện giao thông phức tạp, đòi hỏi khả năng vận hành linh hoạt.

2.1. Hạn chế về hiệu suất động cơ

Hệ thống phân phối khí truyền thống chỉ hoạt động hiệu quả tại một dải tốc độ hẹp do thời điểm mở đóng xupáp được cố định theo thiết kế ban đầu. Tại chế độ tải thấp, xupáp nạp đóng muộn gây thất thoát khí nạp, giảm hiệu suất thể tích. Trong khi đó, ở chế độ tải cao, xupáp thải đóng sớm khiến khí thải không thoát hết, gây nóng động cơ và giảm công suất. Tại Việt Nam, xe sử dụng hệ thống truyền thống thường tiêu hao nhiên liệu nhiều hơn 10-15% so với xe trang bị VVT khi di chuyển trong đô thị. Điều này dẫn đến chi phí vận hành cao và tăng lượng khí thải CO2.

2.2. Độ tin cậy và chi phí bảo trì

Cơ cấu phân phối khí truyền thống dễ xảy ra hiện tượng mài mòn do tiếp xúc trực tiếp giữa cam và con đội, đặc biệt trong điều kiện nhiệt độ cao tại Việt Nam. Việc thay thế các chi tiết như xupáp, ống dẫn hướng, lò xo thường xuyên gây tốn kém về thời gian và chi phí. Ngoài ra, hệ thống dẫn động bằng dây đai hoặc xích có nguy cơ đứt gãy, dẫn đến hỏng động cơ nghiêm trọng. Theo thống kê, chi phí bảo trì hệ thống phân phối khí truyền thống cao gấp 1,5-2 lần so với hệ thống VVT do yêu cầu thay thế định kỳ các chi tiết hao mòn.

III. Giải pháp hệ thống điều khiển phân phối khí thông minh

Hệ thống điều khiển phân phối khí thông minh (VVT) là giải pháp tối ưu hóa quá trình trao đổi khí bằng cách điều chỉnh linh hoạt thời điểm mở đóng xupáp theo điều kiện vận hành. Công nghệ này sử dụng bộ truyền động thủy lực kết hợp ECU để xử lý tín hiệu từ cảm biến, điều khiển trục cam đạt góc quay tối ưu. Tại Việt Nam, hệ thống Dual VVT-i trên Toyota Camry cho phép điều chỉnh góc quay trục cam nạp (50°) và trục cam thải (40°), cải thiện 15% mô men xoắn ở tốc độ thấp và 10% tiết kiệm nhiên liệu. Hệ thống VVT hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi góc quay trục cam so với trục khuỷu, đảm bảo động cơ vận hành hiệu quả ở mọi chế độ.

3.1. Cấu trúc hệ thống Dual VVT i

Hệ thống Dual VVT-i bao gồm bốn thành phần chính: bộ điều khiển VVT-i (truyền động thủy lực), van điều khiển dầu (OCV), ECU 32-bit và các cảm biến (vị trí trục cam, lưu lượng khí nạp, nhiệt độ nước làm mát). Bộ điều khiển VVT-i gắn trên đầu trục cam, thay đổi góc quay thông qua áp suất dầu điều khiển bởi OCV. ECU xử lý tín hiệu từ cảm biến để tính toán thời điểm mở đóng xupáp tối ưu, trong khi bơm dầu cung cấp áp suất ổn định. Tại Việt Nam, hệ thống này được ứng dụng rộng rãi trên xe Toyota Camry nhờ khả năng hoạt động ổn định trong điều kiện giao thông phức tạp.

3.2. Nguyên lý hoạt động và ưu điểm

Nguyên lý hoạt động của VVT dựa trên cơ chế điều chỉnh góc quay trục cam so với trục khuỷu thông qua bộ truyền động thủy lực. ECU liên tục giám sát điều kiện vận hành (tốc độ động cơ, tải trọng, nhiệt độ) để điều chỉnh áp suất dầu cấp cho OCV, thay đổi góc quay trục cam. Tại tốc độ thấp, hệ thống đóng xupáp sớm để tăng mô men xoắn; ở tốc độ cao, xupáp đóng muộn để tối đa hóa công suất. Ưu điểm chính của VVT là cải thiện 10-15% hiệu suất động cơ, giảm 8-12% tiêu hao nhiên liệu và cắt giảm 15-20% khí thải CO2 so với hệ thống truyền thống.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn

Hệ thống điều khiển phân phối khí thông minh (VVT) là giải pháp hiệu quả cho động cơ đốt trong hiện đại, đáp ứng nhu cầu vận hành linh hoạt, tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải. Tại Việt Nam, công nghệ này được ứng dụng rộng rãi trên các dòng xe cao cấp như Toyota Camry, Honda Accord, góp phần nâng cao hiệu suất động cơ trong điều kiện giao thông phức tạp. Hệ thống VVT không chỉ cải thiện mô men xoắn ở mọi dải tốc độ mà còn giảm chi phí vận hành nhờ tối ưu hóa quá trình trao đổi khí. Với sự phát triển của công nghệ điện tử, hệ thống điều khiển phân phối khí thông minh sẽ tiếp tục được cải tiến, hướng tới mục tiêu động cơ không khí thải trong tương lai.

4.1. Lợi ích kinh tế và môi trường

Hệ thống VVT mang lại lợi ích kinh tế đáng kể thông qua việc tiết kiệm nhiên liệu 8-12% so với hệ thống truyền thống, giảm chi phí vận hành trong suốt vòng đời xe. Tại Việt Nam, với giá xăng dầu biến động, lợi ích tiết kiệm nhiên liệu của VVT càng trở nên quan trọng. Ngoài ra, hệ thống này cắt giảm 15-20% khí thải CO2, góp phần bảo vệ môi trường và đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt. Theo ước tính, nếu toàn bộ xe tại Việt Nam được trang bị VVT, lượng khí thải CO2 có thể giảm 5-7% mỗi năm.

4.2. Triển vọng phát triển trong tương lai

Trong tương lai, hệ thống điều khiển phân phối khí thông minh sẽ tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy (ML) để dự đoán điều kiện vận hành, tối ưu hóa thời điểm mở đóng xupáp theo thời gian thực. Công nghệ Camless (không trục cam) sử dụng cơ cấu điện từ sẽ thay thế hệ thống thủy lực, nâng cao độ chính xác và giảm độ phức tạp. Tại Việt Nam, xu hướng phát triển xe điện và hybrid sẽ thúc đẩy ứng dụng VVT trong động cơ đốt trong, kết hợp với hệ thống hybrid để tối đa hóa hiệu suất năng lượng. Sự kết hợp giữa công nghệ VVT và AI hứa hẹn mang lại những đột phá trong ngành công nghiệp ô tô.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Động cơ đốt trong giữ vai trò là nguồn động lực chủ yếu trên các phương tiện giao thông vận tải đường bộ, máy kéo, tàu thủy, máy bay và các thiết bị cơ giới cỡ nhỏ. Trong quá trình phát triển của kỹ thuật ô tô, việc tối ưu hóa chu trình nạp - thải khí đóng vai trò quyết định đến việc nâng cao công suất, tối ưu hóa mức tiêu hao nhiên liệu và đáp ứng các tiêu chuẩn nghiêm ngặt về khí thải môi trường. Trên các dòng ô tô du lịch hiện đại, cơ cấu phân phối khí điều khiển thuần cơ khí truyền thống dần được thay thế bằng các hệ thống cơ điện tử có khả năng biến thiên thời điểm và độ nâng của xupáp.

Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Hệ thống cơ điện tử trên ô tô với đề tài "Nghiên cứu hệ thống điều khiển cơ cấu phân phối khí thông minh trên ô tô" do sinh viên Nguyễn Quang Đại thực hiện, dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Bùi Hải Triều tại Viện Cơ khí động lực - Trường Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải, tập trung giải quyết các nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

1. Hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về kết cấu và phân loại hệ thống phân phối khí trên động cơ đốt trong (bao gồm động cơ hai kỳ và động cơ bốn kỳ).
2. Phân tích nguyên lý làm việc và giải pháp kết cấu của các công nghệ phân phối khí biến thiên hiện đại tiêu biểu trên thế giới (như VTEC của Honda, Valvetronic của BMW và Freevalve/Camless của Koenigsegg).
3. Khai thác kỹ thuật kết cấu chi tiết cơ khí và khảo sát hệ thống điều khiển phân phối khí thông minh Dual VVT-i trên động cơ xe Toyota Camry 2.5Q thế hệ 2014.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống phân phối khí động cơ đốt trong và cơ chế điều khiển biến thiên thời điểm phối khí thông minh. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở phân tích kết cấu cơ khí, thông số hình học và sơ đồ nguyên lý điều khiển điện tử - thủy lực của động cơ xăng I4 dung tích 2.494 cm³ trang bị trên mẫu xe Toyota Camry 2.5Q 2014.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết quá trình thay đổi khí của động cơ nhiệt, nguyên lý cấu tạo động cơ đốt trong và lý thuyết điều khiển tự động hệ thống cơ điện tử trên ô tô:

• Khung lý thuyết cơ bản: Quá trình quét thải trên động cơ hai kỳ và chu trình nạp - thải trên động cơ bốn kỳ; nguyên lý dẫn động trục cam, dẫn động xupáp (trực tiếp và gián tiếp); động học và động lực học của cơ cấu cam - con đội - xupáp; cơ sở thủy lực điều khiển vị trí góc quay trục cam.
• Mô hình công nghệ đối sánh: Hệ thống phân phối khí biến thiên theo cấp (2-stage VTEC của Honda dựa trên áp suất thủy lực gài chốt khóa chuyển đổi vấu cam), hệ thống điều khiển độ nâng xupáp liên tục không dùng bướm ga (Valvetronic của BMW sử dụng cơ cấu trục lệch tâm và mô tơ điện một chiều), và hệ thống van tự do hoàn toàn không trục cam (Freevalve/Camless của Koenigsegg sử dụng bộ truyền động điện - thủy lực - khí nén).
• Phương pháp nghiên cứu: Tác giả kết hợp phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết chuyên ngành với phương pháp khảo sát thực tế, đo đạc kích thước hình học, phân tích cấu tạo vật liệu và giải mã sơ đồ mạch điều khiển điện tử - thủy lực của hệ thống Dual VVT-i trên động cơ thực tế.
• Nguồn dữ liệu: Tài liệu kỹ thuật chuyên ngành động cơ đốt trong, tài liệu hướng dẫn khai thác kỹ thuật của Toyota Motor Corporation, thông số kỹ thuật xuất xưởng của dòng xe Toyota Camry 2.5Q 2014 và số liệu đo đạc thực tế tại xưởng thực hành cơ khí động lực.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Hệ thống phối khí của động cơ đốt trong

Chương I tổng hợp toàn diện cấu tạo, phân loại và các chi tiết cơ bản của hệ thống phân phối khí truyền thống cùng các cải tiến công nghệ hiện đại.

Mục đích chính của cơ cấu phân phối khí là thực hiện quá trình thay đổi khí: thải sạch khí cháy ra khỏi xilanh và nạp đầy môi chất mới (không khí hoặc hỗn hợp hòa khí) vào buồng cháy đúng theo chu kỳ công tác. Cơ cấu phải đáp ứng các yêu cầu: đóng mở đúng thời gian và quy luật, độ mở lớn để dòng khí lưu thông thuận lợi, đóng kín khít tránh rò rỉ áp suất nén, xupáp xả không tự mở trong kỳ nạp, giảm thiểu va đập, ma sát và thuận tiện cho việc hiệu chỉnh, sửa chữa.

Hệ thống phân phối khí được phân loại thành cơ cấu dùng xupáp (phổ biến nhất trên động cơ 4 kỳ), cơ cấu dùng van trượt (thường ứng dụng trên động cơ 2 kỳ với piston đóng vai trò van trượt đóng mở các cửa khí) và cơ cấu hỗn hợp (dùng cửa quét để nạp và xupáp để thải).

• Hệ thống phân phối khí trên động cơ hai kỳ: Quá trình nạp chiếm khoảng 120° đến 150° góc quay trục khuỷu. Chất lượng nạp thải phụ thuộc vào phương án quét khí:
  • Quét vòng đặt ngang song song: Dùng hộp các-te làm máy nén khí, ứng dụng trên động cơ cỡ nhỏ.
  • Quét vòng đặt ngang lệch tâm: Cửa quét đặt xiên một góc 30° so với tâm xilanh, tạo luồng khí đi lên đỉnh nắp máy rồi vòng xuống cửa xả; đây là phương án quét thải hoàn hảo nhất cho áp suất quét lớn.
  • Quét vòng đặt ngang phức tạp: Bố trí hai hàng cửa quét, hàng trên có van một chiều để nạp bổ sung sau khi đóng cửa thải.
  • Quét thẳng qua xupáp thải: Cửa quét đặt tiếp tuyến xung quanh xilanh, xupáp thải đặt trên nắp máy; dòng khí chỉ chuyển động một chiều từ dưới lên giúp giảm sự hòa trộn với sản vật cháy, giảm hệ số khí sót.
• Hệ thống phân phối khí trên động cơ bốn kỳ: Phân biệt cơ cấu xupáp đặt (chiều cao động cơ thấp, nắp xilanh đơn giản nhưng buồng cháy không gọn, tổn thất nhiệt và sức cản nạp thải lớn) và cơ cấu xupáp treo (buồng cháy gọn, giảm tổn thất nhiệt, đường dẫn nạp thải thanh thoát nhưng kết cấu nắp máy phức tạp). Các phương án bố trí và dẫn động trục cam gồm: trục cam đặt trong các-te (dẫn động bánh răng nghiêng hoặc xích) và trục cam đặt trên nắp máy (DOHC/SOHC dẫn động bằng xích hoặc bánh răng côn có ổ chắn dọc trục).
• Cấu tạo chi tiết cơ khí:
  • Trục cam: Chế tạo bằng thép hợp kim cacbon thấp (15X, 15MH, 12XH) hoặc thép cacbon trung bình (thép 40, 45), bề mặt ma sát được thấm than và tôi cứng đạt 50–60 HRC. Động cơ xăng thường dùng trục cam trốn cổ ($Z = i/2 + 1$), động cơ diesel dùng đủ cổ ($Z = i + 1$).
  • Con đội: Gồm con đội hình nấm/trụ đáy bằng (bán kính cầu lõm $r_c$ lớn hơn đầu đũa đẩy 0,2–0,3 mm để tránh mòn lệch), con đội con lăn và con đội thủy lực (loại bỏ khe hở nhiệt, tự động thay đổi thời gian tiết diện theo tốc độ động cơ nhưng yêu cầu dầu sạch và độ nhớt ổn định).
  • Đũa đẩy và đòn bẩy (cò mổ): Đũa đẩy làm bằng ống thép rỗng có đầu cầu tôi cứng 50–60 HRC; đòn bẩy dập bằng thép cacbon trung bình, có rãnh dẫn dầu bôi trơn bạc lót và vít điều chỉnh khe hở.
  • Xupáp, đế xupáp, ống dẫn hướng và lò xo: Xupáp nạp làm việc ở nhiệt độ ~400°C, xupáp xả làm việc ở 500–800°C; mặt nấm vát góc 30° hoặc 45°, được hàn lớp hợp kim tăng cứng Coban - Crom - Wolfram (Co-Cr-W); đế xupáp ép bằng thép hợp kim chịu mài mòn; ống dẫn hướng làm bằng gang peclit hoặc hợp kim đồng thanh nhôm; lò xo làm từ thép hợp kim C65, C65A, thường lồng hai lò xo ngược chiều nhau với độ cứng khác nhau nhằm triệt tiêu hiện tượng cộng hưởng ở tốc độ cao.
• Các cơ cấu phân phối khí hiện đại:
  • Hệ thống VTEC của Honda: Giới thiệu từ cuối những năm 1980 (trên Civic, CRX, NSX), hoạt động theo nguyên lý 2 giai đoạn (2-stage VTEC). Áp suất dầu tác động chốt khóa thủy lực để chuyển đổi qua lại giữa hai biên dạng cam (dưới và trên 4.500 vòng/phút), giúp động cơ 1.6L nâng tốc độ tối đa lên gần 8.000 vòng/phút và tăng công suất cực đại thêm tới 30 mã lực.
  • Hệ thống Valvetronic của BMW: Xuất hiện lần đầu tháng 6/2001 trên mẫu xe BMW 316ti, là động cơ thương mại đầu tiên không sử dụng bướm ga. Hệ thống sử dụng bộ điều khiển điện tử 32-bit tốc độ xử lý 40 MHz, điều khiển mô tơ điện một chiều quay trục lệch tâm thông qua bộ truyền trục vít - bánh vít để thay đổi liên tục điểm tựa đòn gánh, từ đó biến thiên hành trình nâng xupáp theo tải trọng động cơ.
  • Công nghệ Freevalve/Camless của Koenigsegg: Cơ cấu van tự do hoàn toàn không sử dụng trục cam, đóng mở xupáp độc lập thông qua bộ truyền động điện - thủy lực - khí nén kết hợp cảm biến và thuật toán trí tuệ nhân tạo.

Hệ thống	Hãng phát triển	Thời điểm ra mắt	Cơ chế điều khiển	Đặc điểm vận hành nổi bật
VTEC	Honda	Cuối thập niên 1980	Thủy lực gài chốt khóa 2 cụm cam	Chuyển đổi 2 giai đoạn theo tốc độ; tối ưu công suất dải tua cao
Valvetronic	BMW	Tháng 6/2001	Mô tơ điện, trục vít - bánh vít, trục lệch tâm	Thay đổi độ nâng xupáp liên tục; loại bỏ hoàn toàn bướm ga
Freevalve	Koenigsegg	Thập niên 2010	Bộ chấp hành điện - thủy lực - khí nén	Không dùng trục cam; lập trình đóng mở xupáp nạp/xả độc lập

Chương II: Khai thác hệ thống phân phối khí thông minh Dual VVT-i trên Toyota Camry 2.5Q 2014

Chương II tập trung khảo sát kết cấu cơ khí chi tiết và nguyên lý điều khiển của hệ thống Dual VVT-i trang bị trên xe Toyota Camry 2.5Q 2014.

STT	Thông số kỹ thuật	Đơn vị đo	Giá trị / Đặc điểm
1	Kiểu động cơ	-	I4 (4 xilanh thẳng hàng)
2	Cơ cấu phân phối khí	-	16 van, DOHC, Dual VVT-i
3	Thể tích công tác	$\text{cm}^3$	2.494
4	Đường kính xilanh	$\text{mm}$	90
5	Hành trình piston	$\text{mm}$	98
6	Tỷ số nén	-	10,4:1
7	Kích thước tổng thể (Dài x Rộng x Cao)	$\text{mm}$	4.825 x 1.825 x 1.470
8	Khoảng sáng gầm xe	$\text{mm}$	160
9	Công suất cực đại	$\text{Hp/rpm}$	178 / 6.000
10	Mô-men xoắn cực đại	$\text{Nm/rpm}$	131 / 4.100
11	Tiêu chuẩn khí thải	-	Euro 4
12	Hộp số	-	Tự động (AT) 6 cấp
13	Dung tích bình nhiên liệu	Lít	70

• Đặc tính kết cấu các chi tiết cơ cấu phân phối khí trên xe Toyota Camry 2.5Q:
  • Xupáp: Làm bằng thép hợp kim chịu nhiệt 40X. Nấm bằng, mặt côn nghiêng góc $\alpha = 45^\circ$, chiều rộng mặt vát tiếp xúc $b = 2,5\text{ mm}$. Đường kính nấm nạp $x_n = 40,5\text{ mm}$, nấm xả $x_t = 36,0\text{ mm}$. Chiều dày nấm từ 0,08 đến 0,12 lần đường kính. Đường kính thân xupáp nạp và xả bằng nhau $d_{tn} = d_{tx} = 5,5\text{ mm}$; chiều dài thân $l_{tn} = l_{tt} = 83,5\text{ mm}$. Đuôi xupáp được tôi cứng, có rãnh lắp 2 móng hãm hình côn. Khi làm việc, xupáp chịu áp suất khí cháy 0,6–1,5 $\text{MN/m}^2$, nhiệt độ khí thải tại xupáp xả đạt 1.000–1.200°C và vận tốc dòng khí xả 400–600 m/s.
  • Đế xupáp: Chế tạo bằng thép hợp kim chịu mài mòn, ép trực tiếp vào nắp xilanh hợp kim nhôm cho cả đường nạp và xả. Góc mặt côn $45^\circ$, chiều cao đế $h_n = h_t = 7,5\text{ mm}$. Đường kính họng đế nạp $d_n = 36,2\text{ mm}$, họng đế xả $d_t = 31,7\text{ mm}$.
  • Ống dẫn hướng: Ép rời vào nắp xilanh theo chế độ lắp lỏng, bôi trơn theo phương pháp hứng dầu văng từ trục cam. Chiều dài ống dẫn hướng xupáp nạp $l_n = 1,3 \times 40,5 = 53,3\text{ mm}$.
  • Lò xo xupáp: Kết cấu hình trụ, giống nhau cho cả xupáp nạp và xả. Chiều dài lớn nhất $l_{lx} = 32,9\text{ mm}$; tổng số vòng là 8 vòng (gồm 6 vòng công tác và 2 vòng tỳ đầu). Dây lò xo có đường kính $2,8\text{ mm}$, đường kính ngoài lớn nhất $d_l = 24,5\text{ mm}$, nhỏ nhất $d_n = 18,9\text{ mm}$.
  • Con đội: Loại con đội hình trụ đáy phẳng dẫn động trực tiếp từ cam, đường kính thân $d = 34,8\text{ mm}$, chiều dài thân $l = 30,3\text{ mm}$, chiều dày bề mặt tiếp xúc xupáp $b = 4,8\text{ mm}$. Mặt đáy tiếp xúc được mài cong hình cầu bán kính lớn để triệt tiêu hiện tượng mòn vẹt khi trục cam lệch tâm.
  • Trục cam: Động cơ sử dụng 2 trục cam (DOHC) riêng biệt cho nhánh nạp và nhánh xả, chế tạo bằng thép hợp kim cacbon thấp thấm than và tôi cứng, sai lệch độ đồng tâm cho phép tối đa $0,03\text{ mm}$. Chiều dài mỗi trục $L = 456,2\text{ mm}$, đường kính cổ trục $d_c = 26,6\text{ mm}$. Mỗi trục gồm 8 vấu cam liền trục; chiều cao cam nạp $h_n = 42,5\text{ mm}$ (chiều cao vấu $7,5\text{ mm}$), chiều cao cam xả $h_t = 42,0\text{ mm}$ (chiều cao vấu $7,0\text{ mm}$). Mỗi trục có 4 cổ trục ($Z = 4$) với chiều dày cổ $\delta_c = 22,5\text{ mm}$, có khoan đường dẫn dầu dọc tâm trục để bôi trơn.
• Cơ cấu điều khiển thông minh Dual VVT-i:
  • Phạm vi điều khiển góc mở: Hệ thống Dual VVT-i điều khiển xoay trục cam nạp biến thiên trong phạm vi $50^\circ$ góc quay trục khuỷu và trục cam xả biến thiên trong phạm vi $40^\circ$ góc quay trục khuỷu.
  • Thành phần cấu tạo: Bộ điều khiển VVT-i (cụm bánh răng - cánh gạt thủy lực bố trí ở đầu trục cam nạp và xả), Van điều phối dầu trục cam OCV (Oil Control Valve), Bộ xử lý trung tâm ECU 32-bit, Bơm và đường dẫn dầu bôi trơn cao áp, cùng hệ thống cảm biến (cảm biến vị trí trục khuỷu, cảm biến vị trí trục cam, cảm biến lưu lượng khí nạp MAF, cảm biến vị trí bướm ga TPS, cảm biến nhiệt độ nước làm mát ECT và tín hiệu tốc độ xe).
  • Nguyên lý hoạt động: ECU tiếp nhận tín hiệu từ các cảm biến, tính toán góc phối khí tối ưu dựa trên điều kiện vận hành (khởi động, tải nhẹ, tải trung bình, tải nặng hoặc tốc độ cao), sau đó phát tín hiệu điều khiển van OCV để dẫn dòng dầu áp suất cao vào khoang làm sớm hoặc khoang làm muộn của bộ điều khiển VVT-i, làm xoay tương đối trục cam so với đĩa xích dẫn động.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã tổng hợp và chuẩn hóa các kết quả nghiên cứu cụ thể:

• Số liệu kết cấu chi tiết: Thu thập và phân tích đầy đủ bộ thông số hình học, dung sai, vật liệu và tải trọng làm việc của hệ thống phân phối khí trên động cơ Toyota Camry 2.5Q 2014 (tải trọng cơ học xupáp chịu 0,6–1,5 $\text{MN/m}^2$, nhiệt độ xả 1.000–1.200°C, vận tốc dòng xả 400–600 m/s, góc vát xupáp $45^\circ$, đường kính thân xupáp $5,5\text{ mm}$, chiều dài thân $83,5\text{ mm}$, chiều dài trục cam $456,2\text{ mm}$, 8 cam nạp và 8 cam xả).
• Làm rõ cơ chế điều khiển Dual VVT-i: Xác lập cơ chế tác động độc lập trên cả hai trục cam nạp ($50^\circ$ góc quay trục khuỷu) và trục cam xả ($40^\circ$ góc quay trục khuỷu), phân tích chức năng của van phân phối dầu OCV và bộ vi xử lý ECU 32-bit trong việc tối ưu hóa mô-men xoắn ở mọi dải tốc độ, tiết kiệm nhiên liệu và giảm lượng khí xả đạt tiêu chuẩn Euro 4.
• Đóng góp học thuật và đào tạo: Hệ thống hóa cơ sở lý thuyết phân phối khí động cơ từ cổ điển đến các dạng công nghệ biến thiên hiện đại (VTEC, Valvetronic, Freevalve); cung cấp tài liệu kỹ thuật chi tiết phục vụ học tập, củng cố và chuẩn hóa kiến thức chuyên môn cho sinh viên ngành cơ khí ô tô.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế: Nội dung đồ án chủ yếu dừng lại ở mức độ khảo sát kết cấu tĩnh, tính toán thông số hình học và phân tích nguyên lý hoạt động dựa trên tài liệu kỹ thuật; chưa tiến hành mô phỏng động lực học dòng chảy chất lưu bên trong cụm van OCV và khoang thủy lực VVT-i, đồng thời chưa có điều kiện đo đạc thực nghiệm các đường đặc tính công suất và phát thải trên bệ thử động cơ chuyên dụng.
• Hướng nghiên cứu tiếp:
  • Xây dựng mô hình mô phỏng chuyển động động học, động lực học cơ cấu cam - con đội - xupáp và mô phỏng số dòng thủy lực trong van OCV bằng các phần mềm mô phỏng chuyên ngành.
  • Thiết lập quy trình kiểm tra, chẩn đoán hư hỏng và phương pháp khắc phục sự cố hệ thống điều khiển điện tử - thủy lực Dual VVT-i trong quá trình vận hành thực tế.
  • Đo đạc thực nghiệm mức tiêu hao nhiên liệu và thành phần khí thải thực tế của động cơ khi thay đổi các quy luật góc phối khí trên băng thử động cơ (Engine Dynamometer).

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo cho sinh viên, học viên chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí động lực, Kỹ thuật Cơ điện tử Ô tô và Công nghệ Kỹ thuật Ô tô. Các nội dung có giá trị tham khảo bao gồm:

• Phần tổng quan phân loại kết cấu cơ cấu phối khí động cơ hai kỳ, bốn kỳ và các chi tiết cơ khí chính xác (trục cam, con đội, lò xo, ống dẫn hướng, xupáp).
• Toàn bộ bảng thông số kỹ thuật, kích thước chi tiết và cấu tạo cơ khí của động cơ Toyota Camry 2.5Q 2014.
• Sơ đồ nguyên lý, cấu tạo van OCV và cơ chế điều khiển thủy lực - điện tử của hệ thống phân phối khí thông minh Dual VVT-i.

Câu hỏi thường gặp

1. Phạm vi điều chỉnh thời điểm phối khí của hệ thống Dual VVT-i trên động cơ Toyota Camry 2.5Q 2014 là bao nhiêu? Hệ thống Dual VVT-i điều khiển trục cam nạp biến thiên trong phạm vi $50^\circ$ và trục cam xả trong phạm vi $40^\circ$ tính theo góc quay trục khuỷu nhằm tối ưu hóa quá trình nạp - xả theo mọi điều kiện tải của động cơ.

2. Kích thước cơ bản của xupáp nạp và xupáp xả trên động cơ Toyota Camry 2.5Q 2014 được xác định như thế nào? Xupáp nạp có đường kính nấm $x_n = 40,5\text{ mm}$, xupáp xả có đường kính nấm $x_t = 36,0\text{ mm}$. Cả hai đều có đường kính thân $5,5\text{ mm}$, chiều dài thân $83,5\text{ mm}$, mặt côn vát góc $45^\circ$ với chiều rộng mặt tiếp xúc $2,5\text{ mm}$ và được chế tạo bằng thép hợp kim chịu nhiệt 40X.

3. Cơ chế thay đổi độ nâng xupáp của hệ thống Valvetronic (BMW) khác gì so với cơ chế biến thiên của VTEC (Honda)? Hệ thống VTEC (Honda) sử dụng áp suất dầu để khóa cò mổ, chuyển đổi qua lại giữa hai biên dạng cam cố định (2 giai đoạn: tốc độ thấp và tốc độ cao), trong khi Valvetronic (BMW) sử dụng mô tơ điện xoay trục lệch tâm qua bộ truyền trục vít - bánh vít để thay đổi liên tục điểm tựa của đòn dẫn, từ đó điều chỉnh vô cấp độ nâng xupáp mà không cần dùng bướm ga.

4. Lò xo xupáp trên động cơ Toyota Camry 2.5Q 2014 có thông số kết cấu như thế nào? Lò xo xupáp dạng hình trụ, chiều dài lớn nhất $32,9\text{ mm}$, đường kính dây thép $2,8\text{ mm}$, đường kính ngoài lớn nhất $24,5\text{ mm}$ và nhỏ nhất $18,9\text{ mm}$, gồm tổng cộng 8 vòng (trong đó có 6 vòng làm việc/công tác).

5. ECU tiếp nhận dữ liệu từ các cảm biến nào để điều khiển van dầu OCV của hệ thống Dual VVT-i? Bộ xử lý trung tâm ECU 32-bit tính toán thời điểm mở van tối ưu dựa trên tín hiệu từ: cảm biến vị trí trục khuỷu, cảm biến vị trí trục cam, cảm biến lưu lượng khí nạp (MAF), cảm biến vị trí bướm ga (TPS), cảm biến nhiệt độ nước làm mát (ECT) và tín hiệu tốc độ xe.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Quang Đại đã hoàn thành việc khảo sát toàn diện cơ sở lý thuyết về hệ thống phân phối khí động cơ đốt trong và khai thác chi tiết kết cấu kỹ thuật cơ cấu phối khí trên xe Toyota Camry 2.5Q 2014. Nghiên cứu đã làm rõ cấu tạo cơ khí chính xác của các cụm chi tiết xupáp, con đội, lò xo, trục cam và phân tích nguyên lý vận hành của hệ thống biến thiên thời điểm phối khí kép Dual VVT-i điều khiển bằng thủy lực - điện tử với góc xoay $50^\circ$ trục nạp và $40^\circ$ trục xả. Công trình cung cấp nguồn tư liệu học thuật và thông số kỹ thuật thực tế cho công tác nghiên cứu, đào tạo chuyên ngành kỹ thuật cơ điện tử và động lực ô tô.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: HỆ THỐNG PHỐI KHÍ CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1. Tổng quan về hệ thống phân phối khí của động cơ đốt trong 1. Mục đích, phân loại, yêu cầu hệ thống phân phối khí 1. Mục đích Thực hiện quá trình thay đổi khí trong buồng cháy động cơ: Thải sạch khí thải ra khỏi xilanh và nạp đầy khí hỗn hợp hoặc không khí mới vào xilanh động cơ để động cơ làm việc được liên tục.

Yêu cầu Cơ cấu phối phải đảm bảo các yêu cầu sau: Quá trình thay đổi khí như nạp đầy thải sạch. Đóng mở xupáp đúng quy luật và đúng thời gian quy định. Độ mở lớn để dòng khí dễ dàng lưu thông. Đóng xupáp phải kín nhằm đảm bảo áp suất nén, không bị cháy do lọt khí.

Xupáp thải không tự mở trong quá trình nạp. Ít va đập, tránh gây mòn. Dễ dàng điều chỉnh, sửa chữa, giá thành chế tạo thấp. Phân loại Cơ cấu phân phối khí dùng xupáp: Là loại cơ cấu được sử dụng rộng rãi trong động cơ 4 kỳ vì nó có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, dễ điều chỉnh và làm việc chính xác hiệu quả, mang lại hiệu suất cao.

Cơ cấu phối khí dùng van trượt: Là loại cơ cấu có nhiều ưu điểm như tiết diện lưu thông lớn, dễ làm mát, ít tiếng ồn. Trong một số động cơ hai kỳ nạp thải khí bằng lỗ (quét vòng), piston của chúng làm nhiệm vụ của van trượt, đóng mở lỗ thải và lỗ nạp. Loại dùng trong động cơ này không có cơ cấu dẫn động van trượt riêng nên vẫn dùng cơ cấu khuỷu trục – thanh truyền dẫn động piston. Cơ cấu phân phối khí hỗn hợp thường dùng lỗ để nạp và xupáp để thải khí.

Hệ thống phân phối khí dùng trong động cơ hai kỳ Trong động cơ hai kỳ, quá trình nạp đầy môi chất mới vào xilanh động cơ chỉ chiếm khoảng 1200 đến 1500 góc quay trục khuỷu. Quá trình thải trong động cơ hai kỳ chủ yếu dùng không khí quét có áp suất lớn hơn áp suất khí trời để đẩy sản vật cháy ra ngoài. Ở quá trình này sẽ xảy ra sự hòa trộn giữa không khí quét với sản vật cháy, đồng thời cũng có các khu vực chết trong xilanh không có khí quét tới. Chất lượng các 8 quá trình thải sạch sản vật cháy và nạp đầy môi chất mới trong động cơ hai kỳ chủ yếu phụ thuộc vào đặc điểm của hệ thống quét thải.

Hiện nay trên động cơ hai kỳ thường sử dụng các hệ thống quét thải sau: + Hệ thống quét vòng đặt ngang theo hướng song song 1 2 3 Hình 1. Cơ cấu dùng hộp cacte để quét khí 1 – Piston; 2 – Thanh truyền; 3 – Trục khuỷu Được sử dụng chủ yếu trên động cơ hai kỳ cỡ nhỏ. Đặc điểm: Dùng cácte làm máy nén khí để tạo ra không khí quét. Cửa quét thường đặt xiên lên hoặc đỉnh piston có kết cấu đặc biệt để dẫn hướng dòng không khí quét trong xilanh.

+ Hệ thống quét vòng đặt ngang theo hướng lệch tâm: Thường dùng trên các động cơ hai kỳ có công suất lớn. Đặc điểm: Cửa quét đặt theo hướng lệch tâm, xiên lên và hợp với đường tâm xilanh một góc 300, do đó khi dòng không khí quét vào xilanh sẽ theo hướng đi lên tới nắp xilanh 9 mới vòng xuống cửa thải. 10 Đây là hệ thống quét thải hoàn hảo nhất, nó cho các chỉ tiêu công tác của động cơ và áp suất không khí quét lớn. + Hệ thống quét vòng đặt ngang phức tạp: Đặc điểm: Có hai hàng cửa quét, hàng trên đặt cao hơn cửa thải, bên trong có bố trí van một chiều để sau khi đóng kín cửa thải vẫn có thể nạp thêm môi chất công tác mới vào hàng lổ phía trên.