Hệ thống nạp thông minh: Không thể thiếu cho động cơ

Hệ thống nạp có nhiệm vụ điều khiển thời điểm đóng mở, khoảng nâng cũng như khoảng thời gian đóng mở xupap để tối ưu hóa công suất làm việc của động cơ giúp nâng cao hiệu quả làm việc, giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và khí xả. Vì vậy hệ thống nạp thông minh ngày càng trở lên phổ biến trên ô tô.

Ưu thế vượt trội của hệ thống nạp thông minh VVT (Variable Valve Timing).

Trong các động cơ đốt trong thông thường, các xupap nạp và xupap xả được điều khiển thông qua các con đội trên trục cam. Hình dáng của các con đội sẽ xác định thời điểm đóng mở, độ nâng và khoảng thời gian mở của từng xupap. Đối với những xe đời cũ, cả hệ thống phân phối khí được dẫn động và điều khiển thống qua các cơ cấu cơ khí (khâu, khớp) thì việc đóng mở xupap là cố định theo thiết kế của nhà sản xuất và không thể điều chỉnh (nó chỉ bị thay đổi khi các chi tiết mòn đi) dẫn đến lưu lượng khí nạp không đổi nên không thể tăng được công suất của động cơ.

Do tính chất của hòa khí và sau khi cháy mà 3 thông số thời điểm, độ nâng và thời gian mở của các xupap ở vòng tua thấp và vòng tua cao rất khác nhau. Thông thường, khi thiết kế động cơ, các kỹ sư phải lưu ý tới điều kiện làm việc của từng xe và xác định chúng cần công suất và mô -men xoắn cực đại ở vòng tua nào. Nếu đặt điều kiện hoạt động tối ưu của các xupap ở vòng tua thấp thì quá trình đốt nhiên liệu lại không hiệu quả khi động cơ ở trạng thái vòng tua cao, khiến công suất chung của động cơ bị giới hạn. Ngược lại, nếu đặt điều kiện tối ưu ở số vòng tua cao thì động cơ lại hoạt động không tốt ở vòng tua thấp.

Để khắc phục những nhược điểm này, các nhà sản xuất ô tô đưa ra giải pháp là tìm cách tác động để thời điểm đóng mở xupap, độ mở và khoảng thời gian mở biến thiên theo từng vòng tua khác nhau sao cho chúng mở đúng lúc, khoảng mở và thời gian mở đủ để lấy đầy hòa khí vào buồng đốt. Trên thực tế, điều chỉnh một cách hoàn toàn cả 3 thông số này của xupap là điều rất khó.

Để giải quyết vấn đề này, có thời kỳ người ta sử dụng một cuộn cảm để điều chỉnh xupap thay vì sử dụng biên dạng cam. Tuy nhiên, kỹ thuật trên không được sản xuất do quá phức tạp và rất đắt. Cách tiếp cận ngược lại là điều chỉnh xupap sao cho động cơ hoạt động tốt ở vòng tua cao. Điều này có nghĩa xe sẽ hoạt động rất yếu ở khi tốc độ vòng tua thấp (trạng thái mà hầu hết các xe luôn có) và hoạt động tốt ở vòng tua cao. Tuy nhiên cùng với sự phát triển của kỹ thuật điện tử các nhà sản xuất đã kết hợp hoàn hảo điện tử – thủy lực – cơ khí để cho phép điều chỉnh các thông số: thời điểm đóng mở xupap, độ mở và khoảng thời gian mở để đạt được hiệu suất làm việc tối ưu cho động cơ. Hiện nay, công nghệ này có mặt trên hầu hết các hãng xe với các tên gọi khác nhau như: VVT-I (Toyota), I-VTEC (Honda), MIVEC (Mitsubishi)…

VVT : Một quá trình phát triển

Từ khoảng đầu những năm 2000, những người sử dụng xe ở Việt nam mới biết đến khái niệm “hệ thống nạp thông minh” và càng ngày công nghệ này càng trở nên quen thuộc và chúng ta có thể dễ dàng bắt gặp nó trên các xe Toyota hay Honda..dưới những cái tên như VVT-I hay I-VTEC, MIVEC…

Công nghệ VANOS của BMW

Thực ra thì công nghệ này đã được để ý từ đầu những năm 20 của thế kỷ trước, tuy nhiên phải tới thập kỷ 70 thì Alfa Romeo 2000 đời 1980 trở thành chiếc xe đầu tiên sử dụng công nghệ nạp thông minh – sử dụng các cơ cấu dẫn động cơ khí. Đến năm 1987 Nissan tiếp tục phát triển công nghệ này với việc sử dụng kết hợp điện tử để điều khiển việc đóng mở các xupap nạp để nâng cao hiệu quả làm việc của động cơ ở chế độ chờ và số vòng quay thấp. Tuy nhiên công nghệ này đạt được mức độ hoàn thiện nhất là là khi BMW ra mắt công nghệ VANOS cho phép điều chỉnh một cách liên tục cả hai xupap nạp và xả cho phép tối ưu hóa hiệu quả làm việc của động cơ, giúp tăng công suất, giảm tiêu hao nhiên liệu và khí xả cho động cơ.

Sự đa dạng của VVT.

Đều có nhiệm vụ điều khiển thời điểm đóng mở, khoảng nâng cũng như khoảng thời gian đóng mở xupap để tối ưu hóa công suất làm việc của động cơ giúp nâng cao hiệu quả làm việc, giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và khí xả, tuy nhiên mỗi nhà sản xuất ô tô lại đưa ra một các phương pháp khác nhau để giải quyết vấn đề này. Trong phạm vi bài viết này Autonet xin giới thiệu hai giải pháp phổ biến nhất hiện nay: 

* Dịch chuyển trục cam: VVV-I (Toyota), CVTCS ( Nissan), VANOS (BMW)…

Trên hệ thống VVT-i của hãng Toyota sử dụng nguyên lý điện – thủy lực để tối ưu hóa góc phối khí của trục cam nạp dựa trên chế độ làm việc của động cơ phối hợp với các thông số điều khiển chủ động.

Các bộ phận của hệ thống gồm: Bộ xử lý trung tâm ECU 32 bit; bơm và đường dẫn dầu; bộ điều khiển phối khí (VVT) với các van điện; các cảm biến: VVT, vị trí bướm ga, lưu lượng khí nạp, vị trí trục khuỷu, nhiệt độ nước. Ngoài ra, VVT-i thường được thiết kế đồng bộ với cơ cấu bướm ga điện tử ETCS-i, đầu phun nhiên liệu 12 lỗ (loại bỏ sự hỗ trợ bằng khí) và bộ chia điện bằng điện tử cùng các bugi đầu iridium.

Trong quá trình hoạt động, các cảm biến vị trí trục khuỷu, vị trí bướm ga và lưu lượng khí nạp cung cấp các dữ liệu chính về ECU để tính toán thông số phối khí theo yêu cầu chủ động. Cảm biến nhiệt độ nước làm mát động cơ cung cấp dữ liệu hiệu chỉnh, còn các đầu đo VVT và vị trí trục khuỷu thì cung cấp các thông tin về tình trạng phối khí thực tế. Trên cơ sở các yếu tố chủ động, hiệu chỉnh và thực tế, ECU sẽ tổng hợp được lệnh phối khí tối ưu cho buồng đốt. Lệnh này được tính toán trong vài phần nghìn giây và quyết định đóng (mở) các van điện của hệ thống thủy lực. Áp lực dầu sẽ tác động thay đổi vị trí bộ điều khiển phối khí, mở các xu-páp nạp đúng mức cần thiết vào thời điểm thích hợp. Như vậy, thay cho hệ thống cam kiểu cũ với độ mở xu-páp không đổi, VVT-i đã điều chỉnh vô cấp hoạt động của các van nạp. Độ mở và thời điểm mở biến thiên theo sự phối hợp các thông số về lưu lượng khí nạp, vị trí bướm ga, tốc độ và nhiệt độ động cơ.

* Sử dụng hai vấu cam có biên dạng khác nhau: VTEC (Honda), MIVEC (Mitsubishi)
VTEC của Honda là viết tắt của thuật ngữ  “Variable valve Timing and lift Electronic Control”. Hệ thống này được phát triển nhằm cải thiện hiệu quả của các động cơ đốt trong tại các dải vòng tua động cơ khác nhau.

Hệ thống VTEC của Honda là phương pháp khá đơn giản nhằm đảm bảo động cơ hoạt động hiệu quả ở dải vòng tua rộng, thông qua trục cam kép đa trạng thái đã được tối ưu hóa. Thay vì mỗi con đội phục trách một van, sẽ có 2 con đội điều khiển. Một con đội được thiết kế để động cơ hoạt động tốt ở vòng tua thấp còn một con khác đảm nhiệm vai trò ở vòng tua cao.Sự thay đổi trạng thái giữ hai con đội này được điều khiển bằng máy tính sau khi thu thập các thông số như áp suất dầu động cơ, nhiệt độ máy, vận tốc xe và vòng tua động cơ. Khi vòng tua động cơ tăng, máy tính sẽ kích hoạt con đội thiết kế cho vòng tua cao hoạt động. Từ lúc này, van sẽ được đóng mở theo chế độ vòng tua cao như khoảng mở rộng hơn, thời gian mở dài hơn nhằm cung cấp đủ hòa khí cho buồng đốt. Hệ thống VTEC trên động cơ trục cam kép sẽ điều khiển cả van xả và van nạp.

Công nghệ mới i-VTEC (chữ i lấy từ từ Intelligent) là công nghệ điều van biến thiên liên tục trên van nạp ở các động cơ của Honda, ở i-VTEC, trục cam điều khiển van nạp có thể thay đổi một góc trong khoảng từ 25 đến 50 độ (tùy thuộc vào cấu trúc động cơ) khi đang vận hành. Các trạng thái của trục cam được máy tính điều khiển dựa trên các dữ liệu về tải trọng xe và vòng tua máy. Tác dụng của i-VTEC là nâng mô-men xoắn của động cơ, đặc biệt khi ở tốc độ vòng tua trung bình. Trên mẫu Civic bán tại Việt Nam, Honda trang bị i-VTEC ở cả động cơ I4 trục cam kép DOHC và I4 trục cam đơn SOHC.

Công nghệ MIVEC của Mitsubishi

Với những ưu thế vượt trội giúp tăng công suất động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu và khí thải. Hệ thống nạp thông minh ngày nay đã được phát triển bởi hầu hết các nhà sản xuất ô tô trên thế giới và được gọi dưới nhiều cái tên khác nhau như:  AVCS hoặc AVLS (Subaru), CPS (Proton, Volvo), CVTCS, N-VCT hay VVL (Nissan), CVVT (Alfa Romeo, Citroën, Geely, Hyundai, Iran Khodro, Kia, Peugeot, Renault, Volvo), DCVCP (General Motors), DVVT (Daihatsu), MIVEC (Mitsubishi), Multiair (FIAT), S-VT (Mazda), VANOS (BMW), VarioCam (Porsche), VCT (Ford, Yamaha), VVC (MG Rover), VVT (Chrysler, General Motors, Proton, Suzuki, Volkswagen Group).

S.Thu