Đồ án: Ứng dụng máy tính khảo sát VVT-i trên động cơ Toyota 1TR-FE

Đồ án tốt nghiệp: Ứng dụng máy tính khảo sát, tính toán cơ cấu phân phối khí VVT-i trên động cơ 1TR-FE của Toyota. Nghiên cứu chuyên sâu về động cơ.

• Tác giả: Nguyễn Thanh Tuấn
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Lê Châu Thành
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật
• Chuyên ngành: Cơ khí động lực
• Đề tài: Ứng dụng máy tính, khảo sát tính toán cơ cấu phân phối khí VVT-I trên động cơ 1TR-FE của Toyota
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp đại học
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Đà Nẵng

Mục lục chi tiết

• TÓM TẮT
• LỜI NÓI ĐẦU
• CAM ĐOAN
• DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
• DANH SÁCH CÁ KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
• 1.1. Cơ cấu phân phối khí
• 1.2. Động cơ 1 TR-FE
• 1.2.1. Giới thiệu chung
• 1.2.2. Các thông số kỹ thuật cuae xe Innova
• 2. CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ VÀ KẾT CẤU CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ VVT-I TRÊN ĐỘNG CƠ TOYOTA
• 2.1. Đặc điểm chính của cơ cấu phân phối khí VVT-i
• 2.2. Pha phân phối khí của cơ cấu phân phối khí VVT-i
• 2.3. Cơ sở lý thuyết của hệ thống VVT-i
• 2.4. Nguyên lý làm việc của hệ thống VVT-i
• 2.5. Nguyên lý điều khiển
• 2.6. Nguyên lý làm việc của hệ thống VVT-i
• 2.7. Ưu, nhược điểm của hệ thống VVT-i
• 2.7.1. Nhược điểm
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT CẤU CÁC CỤM CHI TIẾT CỦA CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ TRÊN ĐỘNG CƠ 1TR-FE
• 3.1. Kết cấu cụm xupap
• 3.2. Cụm trục cam
• 4. CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CHÍNH CỦA CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ VVT-I CỦA ĐỘNG CƠ 1TR-FE
• 4.1. Xác định kích thước tiết diện lưu thông
• 4.2. Dựng hình cam
• 4.3. Tính kiểm nghiệm các chi tiết trong cơ cấu phân phối khí
• 4.4. Tính toán lò xo xupap
• 5. CHƯƠNG 5: NHỮNG HƯ HỎNG VÀ PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA SỬA CHỮA
• 5.1. Kiểm tra các chi tiết liên quan đến xupap
• 5.1.1. Phân tích và chọn phương án bố trí hệ thống truyền lực cho xe thiết kế
• 5.1.2. Làm sạch các xupap
• 5.1.3. Thay bạc dẫn hướng xupap
• 5.1.4. Kiểm tra và mài xupap
• 5.1.5. Kiểm tra và làm sạch đế xupap
• 5.1.6. Kiểm tra lò xo xupap
• 5.1.7. Kiểm tra trục cam
• 5.1.8. Kiểm tra khe hở dầu trục cam
• 5.1.9. Kiểm tra trục cam và vấu cam
• 5.1.10. Kiểm tra xích dẫn động trục cam
• 5.1.11. Kiểm tra một số chi tiết ở cơ cấu phân phối khí thông mình VVT-i
• 5.1.12. Kiểm tra các cò mổ ở cơ cấu phân phối khí
• 5.1.13. Kiểm tra bánh răng phân phối khí trục cam
• 5.1.14. Kiểm tra bộ răng xích
• 5.1.15. Kiểm tra các piston thuỷ lực
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Khám phá VVT i Nguyên lý cốt lõi động cơ 1TR FE Toyota

Hệ thống VVT-i (Variable Valve Timing with intelligence) là một công nghệ đột phá của Toyota, được ứng dụng trên động cơ 1TR-FE để tối ưu hóa hiệu suất vận hành. Về cơ bản, cơ cấu phân phối khí này có nhiệm vụ điều khiển quá trình nạp và xả trong xylanh, đảm bảo động cơ hoạt động hiệu quả ở mọi dải tốc độ. Động cơ 1TR-FE là loại động cơ xăng 4 xylanh thẳng hàng, dung tích 2.0 lít, trang bị trục cam kép DOHC 16 van, nổi bật với khả năng điều khiển van nạp biến thiên thông minh. Công nghệ này cho phép điều chỉnh vô cấp thời điểm đóng mở của xupap nạp, giúp thay đổi pha phân phối khí theo điều kiện vận hành thực tế. Mục tiêu chính của VVT-i là cải thiện hệ số nạp, tức là tối đa hóa lượng hỗn hợp không khí-nhiên liệu nạp vào buồng đốt. Khi hệ số nạp đạt giá trị tối ưu, công suất động cơ sẽ tăng lên, đồng thời tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu khí thải độc hại. Không giống như các hệ thống phân phối khí cố định, nơi góc mở sớm và đóng muộn của xupap là không đổi, VVT-i mang lại sự linh hoạt cần thiết để thích ứng với các chế độ tải và tốc độ khác nhau, từ chế độ không tải ổn định đến khi tăng tốc ở tải nặng. Vai trò của cơ cấu này không chỉ dừng lại ở việc tăng công suất, mà còn góp phần quan trọng vào việc ổn định chế độ không tải, cải thiện tính kinh tế nhiên liệu và đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải ngày càng nghiêm ngặt.

1.1. Giới thiệu tổng quan về động cơ 1TR FE

Động cơ 1TR-FE là một sản phẩm tiêu biểu của Toyota, được lắp đặt trên nhiều dòng xe phổ thông như Innova. Đây là động cơ xăng, 4 xylanh thẳng hàng, 16 van, sử dụng trục cam kép DOHC và được dẫn động bằng xích. Dung tích công tác của động cơ là 1998 cm³, với đường kính xylanh và hành trình piston đều bằng 86 mm. Một trong những đặc điểm kỹ thuật nổi bật nhất của động cơ 1TR-FE chính là việc tích hợp hệ thống VVT-i cho phía van nạp. Công suất tối đa đạt 100Kw tại 5600 vòng/phút và mô-men xoắn cực đại 182 N.m tại 4000 vòng/phút. Các thông số này cho thấy sự cân bằng giữa hiệu suất và khả năng vận hành bền bỉ. Hệ thống phun nhiên liệu điện tử L-EFI và hệ thống đánh lửa trực tiếp giúp tối ưu hóa quá trình đốt cháy, góp phần đạt tiêu chuẩn khí xả Euro Step 2.

1.2. Nhiệm vụ cốt lõi của cơ cấu phân phối khí

Cơ cấu phân phối khí đóng vai trò sống còn trong hoạt động của động cơ đốt trong. Nhiệm vụ chính của nó là điều khiển quá trình trao đổi khí: thải sạch khí cháy ra khỏi xylanh và nạp đầy hỗn hợp khí mới vào. Để thực hiện nhiệm vụ này, cơ cấu phải đảm bảo các yêu cầu khắt khe: đóng mở xupap đúng thời điểm quy định, tạo độ mở lớn để dòng khí lưu thông dễ dàng, và đóng kín tuyệt đối để không gây lọt khí. Trong động cơ 1TR-FE, cơ cấu phân phối khí dùng cam-xupap, một thiết kế phổ biến nhờ kết cấu đơn giản và dễ điều chỉnh. Tuy nhiên, sự khác biệt nằm ở việc tích hợp công nghệ VVT-i, giúp cơ cấu này vượt qua những giới hạn của các hệ thống truyền thống.

1.3. Đặc điểm chính của công nghệ VVT i Toyota

Công nghệ VVT-i của Toyota cho phép điều chỉnh pha phân phối khí của xupap nạp một cách liên tục. Bằng cách xoay trục cam nạp so với bánh răng dẫn động, hệ thống có thể làm thay đổi thời điểm xupap nạp bắt đầu mở. Sự điều chỉnh này được thực hiện bởi một bộ điều khiển thủy lực, hoạt động dựa trên áp suất dầu động cơ và được quản lý bởi ECU (Engine Control Unit). Nhờ khả năng biến thiên này, VVT-i có thể tạo ra độ trùng điệp xupap (thời điểm cả xupap nạp và xả cùng mở) tối ưu cho từng chế độ: giảm độ trùng điệp ở chế độ không tải để ổn định, và tăng độ trùng điệp ở tải trung bình để tăng tuần hoàn khí xả nội bộ (EGR nội), giúp giảm phát thải NOx và cải thiện hiệu quả nhiên liệu.

II. Thách thức trong tối ưu pha phân phối khí động cơ đốt trong

Một trong những thách thức lớn nhất trong thiết kế động cơ đốt trong truyền thống là pha phân phối khí cố định. Các góc mở sớm và đóng muộn của xupap được thiết kế tối ưu cho một dải tốc độ và tải nhất định, thường là ở dải công suất cực đại. Điều này dẫn đến hiệu suất bị suy giảm đáng kể khi động cơ hoạt động ngoài dải tốc độ tối ưu đó. Ví dụ, một pha phân phối khí lý tưởng cho tốc độ cao (góc trùng điệp lớn) sẽ gây ra hiện tượng khí thải quay ngược lại đường nạp ở tốc độ thấp, làm cho chế độ không tải không ổn định và tiêu hao nhiều nhiên liệu. Ngược lại, một thiết kế tối ưu cho tốc độ thấp sẽ không cung cấp đủ thời gian để nạp đầy hỗn hợp ở tốc độ cao, dẫn đến sụt giảm công suất. Hệ số nạp (ηv), một chỉ số đo lường hiệu quả nạp khí, bị ảnh hưởng trực tiếp bởi vấn đề này. Hệ thống cố định không thể duy trì hệ số nạp cao trên toàn bộ dải hoạt động của động cơ. Nhu cầu về một hệ thống có khả năng thay đổi pha phân phối khí một cách linh hoạt đã trở nên cấp thiết để giải quyết mâu thuẫn giữa công suất, mô-men xoắn, mức tiêu thụ nhiên liệu và khí thải. Đây chính là bối cảnh ra đời của các công nghệ van biến thiên như VVT-i.

2.1. Hạn chế của cơ cấu phân phối khí cố định

Các cơ cấu phân phối khí truyền thống sử dụng trục cam có biên dạng và góc lắp đặt cố định. Điều này có nghĩa là thời điểm đóng mở xupap là bất biến so với vị trí của piston. Sự cố định này tạo ra một sự thỏa hiệp trong thiết kế. Các kỹ sư phải lựa chọn một pha phân phối khí dung hòa, không thể đạt hiệu suất cực đại ở mọi chế độ. Ở tốc độ thấp, việc xupap nạp đóng muộn có thể làm một phần hỗn hợp bị đẩy ngược ra đường nạp. Ở tốc độ cao, việc xupap nạp đóng sớm lại không tận dụng được quán tính của dòng khí để nạp thêm, làm giảm công suất. Do đó, động cơ với cơ cấu phân phối khí cố định luôn tồn tại những vùng hoạt động kém hiệu quả.

2.2. Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến hệ số nạp

Hệ số nạp (ηv) là tỷ lệ giữa lượng khí thực tế nạp vào xylanh và lượng khí lý thuyết mà xylanh có thể chứa. Tốc độ động cơ có ảnh hưởng sâu sắc đến hệ số nạp. Ở tốc độ thấp, thời gian cho quá trình nạp là đủ dài, nhưng quán tính dòng khí yếu. Ở tốc độ cao, quán tính dòng khí mạnh hơn giúp nạp thêm, nhưng thời gian mở xupap lại ngắn đi. Một pha phân phối khí cố định chỉ có thể tối ưu hóa hệ số nạp tại một điểm tốc độ cụ thể. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa hệ số nạp và tốc độ động cơ (ηv = f(n)) cho thấy rõ điều này: đường cong hiệu suất sẽ đạt đỉnh ở một dải hẹp và giảm dần ở các dải khác. Hệ thống VVT-i ra đời để làm phẳng đường cong này, duy trì hệ số nạp cao trên một dải tốc độ rộng hơn.

2.3. Nhu cầu về một hệ thống điều khiển van biến thiên

Để khắc phục những hạn chế của cơ cấu cố định, ngành công nghiệp ô tô đã phát triển các hệ thống điều khiển van biến thiên. Mục tiêu là làm cho pha phân phối khí có thể thay đổi linh hoạt theo tín hiệu từ các cảm biến như cảm biến vị trí trục khuỷu, cảm biến lưu lượng khí nạp và cảm biến vị trí bướm ga. Hệ thống VVT-i của động cơ 1TR-FE là một giải pháp hiệu quả, cho phép ECU tính toán thời điểm phối khí tối ưu và điều khiển bộ chấp hành thủy lực để xoay trục cam nạp. Điều này không chỉ giúp tối ưu hệ số nạp mà còn cho phép thực hiện EGR nội bộ, giảm tổn thất bơm và cải thiện đáng kể hiệu quả tổng thể của động cơ.

III. Phương pháp tính toán cơ cấu phân phối khí 1TR FE tối ưu

Việc tính toán cơ cấu phân phối khí cho động cơ 1TR-FE là một quy trình kỹ thuật phức tạp, đòi hỏi sự chính xác cao để đảm bảo hiệu suất. Bước đầu tiên và quan trọng nhất là xác định kích thước tiết diện lưu thông của xupap. Tiết diện này ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng nạp và thải khí của động cơ. Kích thước này phải đủ lớn để giảm tổn thất áp suất nhưng cũng bị giới hạn bởi không gian trong buồng cháy. Trong quá trình tính toán, các thông số ban đầu như công suất, tỷ số nén, và tốc độ vòng quay được sử dụng làm cơ sở. Cùng với đó, các thông số chọn như áp suất khí nạp, nhiệt độ, và hệ số dư lượng không khí cũng được đưa vào để mô phỏng điều kiện vận hành thực tế. Công thức tính toán đường kính họng đế xupap dựa trên tốc độ trung bình của dòng khí và tốc độ bình quân của piston. Cụ thể, đường kính họng đế xupap nạp (d_hn) và thải (d_ht) được xác định để đảm bảo tốc độ dòng khí nằm trong giới hạn cho phép (ví dụ, 40-115 m/s cho khí nạp). Tầm quan trọng của hệ số nạp (ηv) và hệ số khí sót (γr) là không thể bỏ qua, vì chúng quyết định lượng năng lượng được tạo ra trong mỗi chu kỳ. Một tính toán chính xác sẽ giúp tối ưu hóa các hệ số này, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động của VVT-i.

3.1. Xác định kích thước tiết diện lưu thông xupap

Tiết diện lưu thông qua xupap được xem là yếu tố then chốt quyết định chất lượng nạp và thải. Việc tính toán kích thước này dựa trên nguyên tắc cân bằng lưu lượng khí. Tốc độ trung bình của dòng khí qua họng đế xupap (v_k) được giữ trong một khoảng tối ưu để tránh tổn thất do ma sát. Đối với động cơ 1TR-FE, tốc độ dòng khí nạp được chọn khoảng 50 m/s. Dựa trên công thức d_h = √((D^2 * v_p) / (v_k * i)), đường kính họng đế xupap nạp được tính toán. Trong đó D là đường kính xylanh, v_p là tốc độ piston, và i là số xupap. Tiết diện xupap nạp thường lớn hơn xupap thải khoảng 10-15% vì mật độ dòng khí nạp thấp hơn và cần nhiều diện tích hơn để nạp đầy xylanh.

3.2. Các thông số ban đầu và thông số chọn trong tính toán

Quá trình tính toán cơ cấu phân phối khí bắt đầu với việc thu thập các thông số ban đầu từ nhà sản xuất, bao gồm công suất (100 Kw), tỷ số nén (9,8), tốc độ động cơ (5600 vòng/phút), đường kính và hành trình piston (86 mm). Bên cạnh đó, các thông số chọn dựa trên kinh nghiệm và điều kiện tiêu chuẩn cũng được áp dụng, như áp suất khí nạp (0,1 MN/m²), nhiệt độ khí nạp (298 K), và áp suất khí sót (0,11 MN/m²). Những dữ liệu này là đầu vào quan trọng cho các mô hình tính toán nhiệt động lực học, giúp xác định các thông số vận hành lý thuyết của động cơ trước khi đi vào thiết kế chi tiết cơ khí.

3.3. Tầm quan trọng của hệ số nạp và hệ số khí sót

Hệ số nạp (ηv) và hệ số khí sót (γr) là hai chỉ số hiệu suất quan trọng. Hệ số nạp phản ánh mức độ nạp đầy hỗn hợp mới vào xylanh, ảnh hưởng trực tiếp đến công suất và mô-men xoắn. Hệ số khí sót là lượng sản phẩm cháy còn lại trong xylanh sau kỳ thải, ảnh hưởng đến nhiệt độ cuối kỳ nén và nguy cơ kích nổ. Mục tiêu của việc tính toán và thiết kế hệ thống VVT-i là tối đa hóa hệ số nạp và giảm thiểu hệ số khí sót ở các điều kiện vận hành khác nhau. Bằng cách điều chỉnh pha phân phối khí, VVT-i có thể cải thiện quá trình quét buồng cháy, giảm lượng khí sót và tăng lượng khí nạp mới.

IV. Hướng dẫn dựng hình cam lồi cho hệ thống VVT i 1TR FE

Sau khi hoàn tất các tính toán lý thuyết, bước tiếp theo là thiết kế biên dạng cam, hay còn gọi là dựng hình cam. Đối với động cơ 1TR-FE, loại cam được sử dụng là cam lồi cung tròn. Lựa chọn này dựa trên khả năng cung cấp trị số “thời gian – tiết diện” lớn, nghĩa là xupap được mở nhanh, giữ ở độ mở tối đa lâu và đóng lại cũng nhanh. Tuy nhiên, cam lồi có nhược điểm là tạo ra gia tốc lớn, có thể gây va đập và mài mòn. Do đó, quá trình dựng hình cam phải cân bằng giữa hiệu suất lưu thông khí và độ bền cơ học. Phương pháp thiết kế dựa trên việc định sẵn dạng cam, sau đó kiểm tra lại quy luật gia tốc. Góc công tác của cam nạp (ϕn) và cam thải (ϕt) được xác định từ các góc mở sớm và đóng muộn của xupap. Ví dụ, góc công tác cam nạp được tính bằng công thức: ϕn = (180° + ϕ1 + ϕ2) / 2. Từ các thông số như bán kính lưng cam, độ nâng tối đa và bán kính cung đỉnh, biên dạng cam được dựng hình học một cách chính xác. Quá trình này đảm bảo cơ cấu phân phối khí VVT-i hoạt động êm ái, hiệu quả và bền bỉ.

4.1. Nguyên tắc thiết kế và lựa chọn loại cam lồi

Việc dựng hình cam phải tuân thủ ba nguyên tắc chính: tối đa hóa khả năng lưu thông dòng khí, giảm thiểu gia tốc và va đập, và đảm bảo biên dạng dễ chế tạo. Cam lồi cung tròn được chọn cho động cơ 1TR-FE vì nó đáp ứng tốt yêu cầu đầu tiên. Biên dạng của nó cho phép xupap đạt độ nâng tối đa nhanh chóng. Để khắc phục nhược điểm về gia tốc dương lớn, các biện pháp công nghệ như thấm than và tôi cứng bề mặt cam được áp dụng để tăng độ cứng vững. Thiết kế này là sự cân bằng tinh tế giữa hiệu suất động học và độ tin cậy cơ khí, phù hợp với các động cơ tốc độ trung bình và cao.

4.2. Tính toán góc công tác của cam nạp và cam thải

Góc công tác là một trong những thông số quan trọng nhất khi dựng hình cam. Nó quyết định khoảng thời gian xupap được mở, tính bằng góc quay của trục cam. Đối với cam nạp của động cơ 1TR-FE, với góc mở sớm là 52° và đóng muộn là 12°, góc công tác được tính toán là 122°. Tương tự, với cam thải có góc mở sớm 44° và đóng muộn 8°, góc công tác là 116°. Các giá trị này được sử dụng để xác định cung hoạt động trên biên dạng cam, làm cơ sở để vẽ các cung tròn đỉnh, sườn và lưng cam một cách chính xác.

4.3. Phân tích động học và gia tốc của cơ cấu cam

Sau khi dựng hình cam, bước kiểm nghiệm động học là bắt buộc. Phân tích này bao gồm việc xác định quy luật chuyển vị, vận tốc và gia tốc của con đội (và xupap) theo góc quay của trục cam. Mục tiêu là đảm bảo rằng gia tốc không vượt quá giới hạn cho phép. Gia tốc dương quá lớn sẽ gây ra lực tác động mạnh lên bề mặt cam, trong khi gia tốc âm quá lớn có thể làm lò xo xupap không theo kịp, gây ra hiện tượng “treo xupap”. Đối với cam lồi, gia tốc dương thường là yếu tố cần kiểm soát chặt chẽ. Việc tính toán và tối ưu hóa bán kính các cung tròn trên biên dạng cam giúp giữ cho gia tốc nằm trong phạm vi an toàn, đảm bảo cơ cấu hoạt động ổn định.

V. Phân tích nguyên lý làm việc của bộ điều khiển VVT i Toyota

Hệ thống VVT-i trên động cơ 1TR-FE hoạt động dựa trên một nguyên lý điều khiển điện tử - thủy lực tinh vi. Trung tâm của hệ thống là ECU động cơ, đóng vai trò như bộ não, liên tục nhận tín hiệu từ các cảm biến quan trọng như cảm biến vị trí trục khuỷu, cảm biến vị trí trục cam, cảm biến lưu lượng khí nạp và cảm biến vị trí bướm ga. Dựa trên các tín hiệu này, ECU sẽ tính toán thời điểm phối khí tối ưu cho điều kiện vận hành hiện tại. Sau đó, nó gửi tín hiệu điều khiển đến van dầu (OCV - Oil Control Valve). Van dầu này sẽ điều chỉnh dòng áp suất dầu động cơ đến bộ điều khiển VVT-i (VVT-i controller) gắn ở đầu trục cam nạp. Bộ điều khiển này có cấu trúc gồm một roto (gắn với trục cam) và một stato (gắn với bánh răng xích). Bằng cách thay đổi áp suất dầu vào các khoang trong bộ điều khiển, roto sẽ xoay tương đối so với stato, từ đó làm thay đổi góc của trục cam. Hệ thống hoạt động ở ba chế độ chính: làm trễ (mở muộn), làm sớm (mở sớm) và giữ, giúp pha phân phối khí luôn được tối ưu hóa.

5.1. Cơ chế điều khiển điện tử và vai trò của ECU

ECU là thành phần cốt lõi của hệ thống VVT-i. Nó nhận biết trạng thái của động cơ (tốc độ, tải, nhiệt độ) thông qua mạng lưới cảm biến. Dựa trên một bản đồ điều khiển được lập trình sẵn, ECU xác định góc xoay trục cam lý tưởng. Sau đó, nó so sánh góc này với góc thực tế (được phản hồi từ cảm biến vị trí trục cam) và tạo ra một tín hiệu điều khiển (dạng xung PWM) gửi tới van OCV. Vai trò của ECU không chỉ là ra lệnh mà còn là giám sát và hiệu chỉnh liên tục, đảm bảo pha phân phối khí luôn chính xác và đáp ứng nhanh với sự thay đổi trong điều kiện lái xe.

5.2. Chế độ làm việc Mở sớm mở muộn và giữ

Hệ thống VVT-i có ba chế độ hoạt động chính. Chế độ Mở Muộn (Retard) được sử dụng khi khởi động, không tải hoặc nhiệt độ thấp để ổn định động cơ. Van dầu sẽ hướng áp suất vào khoang làm trễ để xoay trục cam theo chiều quay. Chế độ Mở Sớm (Advance) được kích hoạt ở dải tốc độ trung bình và tải nặng để tăng công suất và mô-men xoắn. Áp suất dầu được cấp vào khoang làm sớm, xoay trục cam ngược chiều quay. Chế độ Giữ (Hold) duy trì góc xoay của trục cam ở vị trí tối ưu khi điều kiện vận hành ổn định. Van dầu sẽ đóng cả hai đường cấp và xả, giữ áp suất trong các khoang không đổi.

5.3. Kết cấu chi tiết cụm trục cam và bộ điều khiển

Cụm trục cam của động cơ 1TR-FE bao gồm hai trục cam (nạp và xả). Riêng trục cam nạp được trang bị bộ điều khiển VVT-i ở đầu trục. Bộ điều khiển này có các cánh gạt (vanes) gắn trên roto và các khoang dầu trong stato. Khi dầu được bơm vào một bên của cánh gạt, nó sẽ đẩy roto quay. Một chốt hãm (lock pin) được sử dụng để khóa bộ điều khiển ở vị trí mở muộn nhất khi động cơ dừng hoặc áp suất dầu thấp, đảm bảo quá trình khởi động ổn định. Kết cấu này nhỏ gọn nhưng có khả năng tạo ra sự thay đổi góc nhanh và chính xác, là chìa khóa cho hiệu quả của hệ thống VVT-i.

VI. Tổng kết ưu điểm và tiềm năng của VVT i trên động cơ 1TR FE

Việc ứng dụng hệ thống VVT-i trên động cơ 1TR-FE đã mang lại những cải tiến vượt trội, giải quyết được mâu thuẫn cố hữu giữa hiệu suất, tính kinh tế và yếu tố môi trường. Ưu điểm lớn nhất của công nghệ này là khả năng tối ưu hóa pha phân phối khí một cách linh hoạt. Điều này giúp động cơ 1TR-FE đạt được công suất cao hơn bằng cách cải thiện hệ số nạp ở dải tốc độ cao, đồng thời tiết kiệm nhiên liệu và vận hành ổn định ở dải tốc độ thấp. Bằng cách tăng độ trùng điệp xupap ở tải trung bình, VVT-i tạo ra hiệu ứng EGR nội bộ, giúp làm giảm nhiệt độ buồng đốt và giảm đáng kể lượng khí thải NOx. So với các công nghệ van biến thiên khác, VVT-i của Toyota nổi bật với kết cấu tương đối đơn giản, độ bền cao và khả năng điều khiển vô cấp mượt mà. Trong tương lai, các hệ thống phân phối khí sẽ tiếp tục phát triển theo hướng phức tạp hơn, có thể điều khiển cả độ nâng và thời gian mở của cả van nạp và van xả (như Valvematic hoặc VVT-iE), hứa hẹn mang lại hiệu quả cao hơn nữa cho động cơ đốt trong.

6.1. Đánh giá hiệu quả Tăng công suất và tiết kiệm nhiên liệu

Hiệu quả của VVT-i được thể hiện rõ rệt qua ba khía cạnh. Thứ nhất, công suất động cơ được cải thiện do hệ số nạp được tối ưu hóa trên một dải tốc độ rộng hơn. Thứ hai, tính kinh tế nhiên liệu được nâng cao nhờ giảm tổn thất bơm và tối ưu hóa quá trình cháy ở các chế độ tải khác nhau. Thứ ba, động cơ hoạt động ổn định hơn ở chế độ không tải và khởi động dễ dàng hơn. Những lợi ích này đã giúp động cơ 1TR-FE trở thành một trong những động cơ thành công và phổ biến của Toyota, cân bằng tốt giữa hiệu suất và chi phí vận hành.

6.2. So sánh VVT i với các công nghệ van biến thiên khác

Trên thị trường, có nhiều công nghệ van biến thiên khác nhau như VTEC của Honda hay VANOS của BMW. VTEC thay đổi cả độ nâng và thời gian mở van bằng cách chuyển đổi giữa các biên dạng cam khác nhau, mang lại hiệu suất cao ở vòng tua lớn. Trong khi đó, VVT-i của Toyota tập trung vào việc xoay trục cam để thay đổi thời điểm mở (phasing) một cách liên tục. Mỗi hệ thống có ưu nhược điểm riêng. VVT-i có ưu thế về sự mượt mà và hiệu quả ở dải tốc độ trung bình, trong khi VTEC mạnh mẽ hơn ở dải tốc độ cao. Sự lựa chọn công nghệ phụ thuộc vào triết lý thiết kế và mục tiêu của từng nhà sản xuất.

6.3. Hướng phát triển của hệ thống phân phối khí tương lai

Tương lai của cơ cấu phân phối khí hứa hẹn những bước tiến xa hơn. Các hệ thống thế hệ mới không chỉ điều khiển thời điểm mở (phasing) mà còn cả độ nâng của van (lift) và thời gian mở (duration). Công nghệ VVT-iE của Toyota sử dụng mô-tơ điện thay vì thủy lực để điều khiển trục cam, cho phép hoạt động chính xác hơn, đặc biệt ở nhiệt độ thấp và tốc độ rất thấp. Xa hơn nữa là các hệ thống cam-less (không dùng trục cam), nơi mỗi xupap được điều khiển độc lập bằng bộ chấp hành điện-thủy lực hoặc điện-từ. Những công nghệ này sẽ loại bỏ hoàn toàn các giới hạn cơ khí, mở ra tiềm năng tối ưu hóa động cơ ở một cấp độ hoàn toàn mới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1. Cơ cấu phân phối khí 1. Nhiệm vụ Cơ cấu phân phối khí có nhiệm vụ điều khiển quá trình thay đổi khí trong buồng cháy động cơ: Thải sạch khí thải khỏi xylanh và nạp đầy hỗn hợp hoặc không khí mới vào xylanh động cơ để động cơ làm việc được liên tục.

Yêu cầu Cơ cấu phối phải đảm bảo các yêu cầu sau: - Đóng mở đúng quy luật và thời điểm quy định. - Độ mở lớn để dòng khí dễ dàng lưu thông. - Đóng kín, xupáp thải không tự mở trong quá trình nạp. - Ít mòn, tiếng ồn bé.

- Dễ dàng điều chỉnh, sửa chữa, giá thành chế tạo thấp. Phân loại Cơ cấu phân phối khí được phân thành các loại sau: Cơ cấu phối khí dùng cam xupap Là loại cơ cấu phối khí được sử dụng phổ biến trong các loại động cơ đốt trong, có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, dễ điều chỉnh, giá thành không cao lắm. 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. Nhưng do kết cấu khá phức tạp, giá thành cao nên người ta chỉ sử dụng cho các loại xe đặc biệt như động cơ xe đua.

Cơ cấu phối khí dùng piston đóng mở cửa nạp và cửa thải: Trong một số động cơ hai kỳ, việc 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. Sinh viên thực hiện: N.Đ Tấn; Giáo viên hướng dẫn: ThS.

Nguyễn Lê Châu Thành 2 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Ứng dụng máy tính, khảo sát tính toán cơ cấu phân phối khí VVT-I trên động cơ 1TR-FE của Toyota 1. Động cơ 1 TR-FE 1. Giới thiệu chung Động cơ 1TR-FE lắp trên xe Innova của hãng Toyota là loại động cơ xăng thế hệ mới, 4 xy lanh thẳng hàng, dung tích xy lanh 2,0lít trục cam kép DOHC 16 xupap dẫn động bằng xích thông qua con đội thuỷ lực với hệ thống van nạp được điều khiển thông minh VVT-i. Động cơ có công suất 100Kw/5600v/p có hệ thống đánh lửa trực tiếp điều khiển bằng điện tử và hệ thống nhiên liệu phun trực tiếp điều khiển bởi ECU Toyota Innova có 2 loại: Innova G và Innova J Loại xe Innova G Innova J Động cơ 2.0 lít (1TR-FE) Hộp số 5 số tay 5 số tay Số chỗ ngồi 8 chỗ 8 chỗ Bảng 1.

1 Thông số động cơ 1. Các thông số kỹ thuật cuae xe Innova Trọng lượng và kích thước xe Loại xe Innova G Innova J Trọng lượng toàn tải 2170 kg 2600 kg Trọng lượng không tải 1530 kg 1515 kg Dài x rộng x cao toàn bộ 4555mm x 1770mm x 1745mm Chiều dài cơ sở 2750 mm 2750 mm Chiều rộng cơ sở 1510 mm 1510 mm Khoảng sáng gầm xe 176 mm 176 mm Bảng 1. 2 Trọng lượng và kích thước xe Innova Sinh viên thực hiện: N.Đ Tấn; Giáo viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Lê Châu Thành 3 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Ứng dụng máy tính, khảo sát tính toán cơ cấu phân phối khí VVT-I trên động cơ 1TR-FE của Toyota Động cơ Loại động cơ 1TR-FE Kiểu 4 xilanh thẳng hàng, 16 van, cam kép DOHC có VVT-i, dẫn động xích.

Dung tích công tác 1998 cm3 Đường kính xy lanh D 86 mm Hành trình piston S 86 mm Tỉ số nén 9,8 Công suất tối đa 100Kw/5600 rpm Mô men xoắn tối đa 182/4000 (N.m/rpm) Hệ thống phun nhiên liệu L-EFI Tiêu chuẩn khí xả Euro Step 2 Cơ cấu phối khí 16 xupap dẫn động bằng xích, có VVT- i Thời Nạp Mở 520~00 BTDC điểm Đóng 120~640 ABDC phối Xả Mở 440 BTDC khí Đóng 80 ABDC Độ nhớt /cấp độ của dầu bôi trơn 5W-30/API SL, SJ, EC or ILSAC Bảng 1. 3 Thông số động cơ Sinh viên thực hiện: N.Đ Tấn; Giáo viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Lê Châu Thành 4 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Ứng dụng máy tính, khảo sát tính toán cơ cấu phân phối khí VVT-I trên động cơ 1TR-FE của Toyota Khung xe Loại Innova G Innova J Treo trước Độc lập với lò xo cuộn, đòn kép và thanh cân bằng Treo sau 4 điểm liên kết, lò xo cuộn và tay đòn bên Phanh trước Đĩa thông gió Phanh sau Tang trống Bán kính quay vòng tối thiểu 5,4 m Dung tích bình xăng 55 lit Vỏ và mâm xe 205/65R15 Mâm đúc 195/70R14 Thép, chụp kín Bảng 1. 4 Thông số khung xe Sinh viên thực hiện: N.Đ Tấn; Giáo viên hướng dẫn: ThS.

Nguyễn Lê Châu Thành 5 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Ứng dụng máy tính, khảo sát tính toán cơ cấu phân phối khí VVT-I trên động cơ 1TR-FE của Toyota Chương 2. NGUYÊN LÝ VÀ KẾT CẤU CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ VVT-I TRÊN ĐỘNG CƠ TOYOTA 2. Đặc điểm chính của cơ cấu phân phối khí VVT-i 2. Pha phân phối khí của cơ cấu phân phối khí VVT-i Pha phân phối khí của động cơ là các góc mở sớm và đóng muộn của các xupáp.

Thời gian mở sớm và đóng muộn được đo bằng góc quay của trục khuỷu và tính bằng độ. Pha phân phối khí của động cơ có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình hoạt động của động cơ, thể hiện qua hệ số khí nạp ( ηv ) và hệ số khí sót ( γ r ). Các hệ số này ảnh hưởng đến công suất của động cơ và múc độ khí ô nhiễm thải ra môi trường. Để thải sạch sản vật cháy ra khỏi xi lanh, xupáp xả không đóng tại vị trí ĐCT mà đóng chậm hơn một chút (khi trục khuỷu đã quay quá ĐCT vào khoảng 5 ¿ 300 góc quay trục khuỷu, nghĩa là khi bắt đầu kỳ một).

Để giảm cản cho quá trình nạp, có nghĩa là đảm bảo cho đường thông qua xupáp nạp đã được mở rộng dần trong khi piston đi xuống trong kỳ một, xupáp nạp cũng được mở sớm hơn một chút (trước khi piston đến ĐCT khoảng 10 ¿ 400 góc quay trục khuỷu). Như vậy vào cuối kỳ bốn và đầu kỳ một cả xupáp nạp và xả đều mở. Giai đoạn cùng mở của các xupáp nạp và xả được gọi là thời kỳ trùng điệp của các xupáp. Thời kỳ này có tác dụng tốt đến việc thải sạch khí xả và nạp đầy môi chất mới vào xilanh nhờ tác dụng hút của dòng khí xả trên đường ống thải.

Giai đoạn tính từ lúc mở đến lúc đóng các xupáp (tính bằng góc quay trục khuỷu) được gọi là pha phân phối khí. Ảnh hưởng của pha phân phối khí đến quá trình nạp và thải của động cơ bốn kỳ được thể hiện qua hệ số nạp thêm λ1 và hệ số quét buồng cháy λ2. Các hệ số này làm cho giá trị của hệ số khí nạp ηv và hệ số khí sót γ r tính theo pha phân phối khí lý thuyết được sát với giá trị thực trong động cơ thực tế. Sinh viên thực hiện: N.Đ Tấn; Giáo viên hướng dẫn: ThS.

Nguyễn Lê Châu Thành 6 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Ứng dụng máy tính, khảo sát tính toán cơ cấu phân phối khí VVT-I trên động cơ 1TR-FE của Toyota Hình 2. 1 Pha phân phối khí 1- Vị trí mở xupap nạp; 2- Vị trí đóng xupap nạp.3- Vị trí mở xupap xả; 4- Vị trí đóng xupap xả. Hiện nay chưa có một phương pháp giải tích chặt chẽ để xác định λ1 và λ2 theo thời điểm mở và đóng các xupap nạp và xup0061p xả, λ1 và λ2 được chọn dựa vào số liệu thực nghiệm. Vì vậy cần phải tìm hiểu kỹ các pha phân phối của những động cơ đã chế tạo và ảnh hưởng của chúng đến diễn biến quá trình nạp và thải của động cơ.

Ảnh hưởng của pha phân phối đến quá trình hoạt động của động cơ: Xupáp thải bắt đầu mở sớm trước khi piston tới ĐCD nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình thải, bằng cách cho sản vật cháy tự thoát ra nhờ chênh áp giữa xilanh và đường thải. Với mục đích làm giảm tải trọng động cho xupap, cần phải cho xupáp mở và đóng đường thông một cách từ từ. Chính vì vậy việc mở sớm xupáp thải nhằm tạo ra giá trị “thời gian – tiết diện” đủ để áp suất trong xilanh được giảm đến mức yêu cầu khi piston bắt đầu đi ngược từ ĐCD lên ĐCT. Khi đã mở sớm xupáp thải vào thời điểm hợp lý sẽ làm giảm công tiêu hao cho việc đẩy khí thải.

Nhưng nếu mở xupáp thải quá sớm sẽ làm giảm công giãn nở trên đồ thị công, qua đó làm giảm công suất động cơ. Tốc độ của động cơ càng cao thì thời điểm mở xupáp thải phải càng sớm. Xupáp thải bao giờ cũng đóng muộn (sau khi piston đã đi qua ĐCT) nhằm đảm bảo đủ trị số “thời gian – tiết diện” cho sản vật cháy đi ra ở cuối hành trình thải, mặt khác nhằm lợi dụng chênh áp Δp r = pr − pth > 0 để sản phẩm cháy được thải tiếp, giảm lượng khí sót còn lại trong xilanh. Ngoài ra, việc đóng muộn xupáp xả còn nhằm Sinh viên thực hiện: N.Đ Tấn; Giáo viên hướng dẫn: ThS.

Nguyễn Lê Châu Thành 7 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Ứng dụng máy tính, khảo sát tính toán cơ cấu phân phối khí VVT-I trên động cơ 1TR-FE của Toyota sử dụng quán tính của dòng khí trên đường thải, sinh ra giảm áp có tính chu kỳ, thấp hơn giá trị trung bình của pth , tạo điều kiện thuận lợi để thải sạch hơn. 2 Vị trí mở xupáp xả 1- Mở xupap ngay ĐCD; 2- Mở xupap quá sớm; 3- Mở sớm xupap hợp lý Thời gian bắt đầu mở xupáp nạp cần chọn sao cho khi áp suất trong xilanh (do giãn nở của khí sót) hạ xuống thấp hơn áp suất môi chất trên đường nạp, thì tiết diện lưu thông của xupáp nạp đã đủ lớn để môi chất mới đi vào. Do đó thường phải mở sớm xupap nạp (trước khi piston tới ĐCT). Các động cơ cao tốc, nhất là động cơ diezel do đóng muộn xupap xả và mở sớm xupap nạp đã tạo ra thời kỳ trùng điệp cùng mở của các xupáp, nghĩa là cả xupap nạp và xupap thải cùng mở thông xi lanh với đường nạp và đường thải.

Lúc đó mặt dù piston đã từ ĐCT đi xuống nhưng dòng khí trên đường thải vẫn chưa đổi hướng còn khí nạp đã bắt đầu qua xupap nạp đi vào xilanh nhờ lực hút do quán tính của dòng khí thải tạo ra.