(News.oto-hui.com) – Ngày nay trên động cơ có rất nhiểu công nghệ van biến thiên. Mỗi loại công nghệ đều có ưu và nhược điểm riêng. Bài viết này sẽ giúp bạn tìm hiểu chi tiết về công nghệ van biến thiên CVVD của Hyundai.
Tìm hiểu thêm về chuỗi bài viết Cam biến thiên của các hãng xe (hơn 10 bài viết): Tại đây!
I. Sơ lược về công nghệ van biến thiên CVVD:
Mỗi công nghệ van biến thiên ngày nay đều có kết cấu và nguyên lí hoạt động khác nhau. Mục đích chung của công nghệ này đó là điều chỉnh hoạt động của các xu pap sao cho phù hợp với từng chế độ hoạt động của động cơ. Những công nghệ van biến thiên phổ biến hiện nay chủ yếu đều tác động vào hai yếu tố trên xupap đó là thời điểm đóng mở và hành trình của xupap.
Ví dụ như công nghệ VVT-I của Toyota hay Vanos của BMW, họ tác động vào vị trí góc của trục cam để làm thay đổi thời điểm đóng mở và góc trùng điệp của xupap. Giúp tăng công suất của động cơ và thải sạch hơn khi động cơ hoạt động ở vòng tua cao.
Một ví dụ khác như công nghệ VTEC của Honda, họ sử dụng nhiều vấu cam có kích thước khác nhau để điều khiển xupap. Việc sử dụng vấu cam có kích thước khác nhau giúp cho họ có thể điều khiển được hành trình của xupap (độ mở). Sử dụng vấu cam lớn hơn có thể giúp cung cấp nhiều hòa khí hơn cho động cơ khi hoạt động ở vòng tua cao.
Các công nghệ ở trên đều chỉ tác động vào thời điểm đóng mở và hành trình của xupap chứ không thể làm thay đổi thời gian mở của xupap. Đã có nhiều giải pháp được đưa ra để giúp các nhà sản suất giải quyết vấn đề này. Nhưng những giải pháp đó lại không thể đưa vào thị trường mặc dù khả năng làm việc mà chúng đem lại là khá hiệu quả. Vì sao vậy?
Lí do ở đây đó là những giải pháp trên không thể giải quyết được hai vấn đề. Đầu tiên là giải quyết được nguồn năng lượng truyền động thích hợp. Sử dụng dẫn động cơ khí có thể giải quyết được vấn đề nguồn năng lượng nhưng phần kết cấu rất phức tạp hoặc kích thước rất cồng kềnh, làm tăng kích thước của động cơ.
Nếu sử dụng hệ thống điều khiển điện thì có thể giải quyết vấn đề kích thước nhưng lại gây tiêu tốn rất nhiều nguồn năng lượng điện của động cơ. Vì trục cam, vấu cam là những chi tiết hoạt động với tốc độ cao và liên tục trên động cơ. Chính vì thế nên để điều khiển liên tục được những chi tiết đó sẽ tiêu tốn rất nhiều nguồn năng lượng.
Vấn đề thứ hai ở đây đó chính là độ tin cậy trong quá trình vận hành. Các chi tiết trong hệ thống đều hoạt động với một tốc độ rất lớn. Nếu só một chi tiết bị sai số trong khi hoạt động thì nó sẽ là thảm họa đối với các chi tiết khác và động cơ. Ví dụ như nếu xupap nạp đóng quá muộn trong kì nén, nấm xupap và đỉnh piston sẽ va chạm với nhau và gây ra hiện tượng “đấm đỉnh” piston. Gây hư hỏng rất nghiệm trọng đến xupap và piston của động cơ.
Những nguyên nhân hư hỏng của Piston động cơ?
Đã có những hệ thống điều khiển van điện đáp ứng được vấn đề đầu tiên nhưng lại không thể đáp ứng được vấn đề này. Chính vì thế nên vấn đề độ tin cậy khi vận hành là một vấn đề rất quan trọng và có sức ảnh hưởng rất lớn đến quyết định có đưa một công nghệ mới vào thị trường hay không.
Qua những vấn đề trên có thể thấy để có thể tạo ra một công nghệ giải quyết được các vấn đề và đưa công nghệ đó vào thị trường là cả một quá trình rất dài và khó khăn. Tuy vậy, có một công nghệ van biến thiên có thể giải quyết và đáp ứng được tất cả các vấn đề phía trên, đó là công nghệ van biến thiên CVVD của Hyundai.
Công nghệ van biến thiên CVVD của Hyundai là viết tắt của cụm từ Continuously Variable Valve Duration, tạm dịch là van biến thiên theo thời gian liên tục. CVVD có khả năng làm thay đổi khoảng thời gian mở của xupap bằng cách làm biến thiên vận tốc góc của vấu cam trong các vòng quay. Thời gian mở của xupap sẽ khác nhau ở các chế độ hoạt động khác nhau của động cơ. Qua đó giúp điều chỉnh lượng hòa khí đưa vào buồng đốt sao cho phù hợp hơn.
CVVD sử dụng hệ thống điều khiển điện để điều khiển các chi tiết dẫn động cơ khí. Nhờ sự kết hợp này nên CVVD giải quyết được vấn đề nguồn năng lượng dẫn động và độ tin cậy khi vận hành. CVVD vẫn đáp ứng được vấn đề kích thước vì có kết cấu khá nhỏ gọn, giúp tiết kiệm kích thước cho động cơ.
II. Kết cấu và nguyên lí hoạt động công nghệ van biến thiên CVVD của Hyundai:
1. Kết cấu van biến thiên CVVD:
Như đã trình bày ở trên, CVVD là sự kết hợp của cả hệ thống điện và cơ khí. Hệ thống điện có vai trò điều khiển hệ thống cơ khí còn hệ thống cơ khí có vai trò dẫn động quay cho các chi tiết. Chính vì thế nên có thể chia kết cấu của CVVD ra thành hai phần đó là bộ phận điều khiển và bộ phận quay.
Bộ phận điều khiển bao gồm các chi tiết là các cơ cấu ống điều khiển và mô tơ điều khiển. Bộ phận quay là các chi tiết chuyển động quay tròn trên động cơ là trục cam, vấu cam và ổ quay trung gian.
a. Bộ phận điều khiển:
Bộ phận điều khiển bao gồm các chi tiết là mô tơ điện và các cơ cấu ống điều khiển. Mô tơ điện thông qua trục điều chỉnh ống điều khiển dịch chuyển tịnh tiến sang hai bên theo phương ngang của động cơ. Mô tơ điện được sử dụng ở đây là loại mô tơ bước, giúp cho việc điều chỉnh vị trí của ống điều khiển được chính xác hơn.
Trục điều khiển điều chỉnh vị trí của ống điều khiển thông qua cơ cấu trục vít bánh vít. Cơ cấu này có một đặc điểm đó là chỉ có thể truyền động theo một phía. Trục vít quay có thể làm cho bánh vít quay theo nhưng bánh vít không thể làm được điều ngược lại. Điều này giúp cho hệ thống sau mỗi lần điều chỉnh vị trí của ống điều khiển thì ống điều khiển sẽ có thể tự cố định ở vị trí đấy mà không bị dịch chuyển sang các vị trí khác.
b. Bộ phận quay:
Bộ phận quay bao gồm các chi tiết chuyển động quay tròn là trục cam, vấu cam và ổ quay trung gian. Như đã trình bày ở phần trên, CVVD có khả năng làm thay đổi khoảng thời gian mở của xupap. Điều này đồng nghĩa với việc vận tốc góc của vấu cam sẽ phải biến thiên trong các vòng quay.
Khoảng thời gian quay từng vòng của vấu cam là rất ngắn, việc điều chỉnh trục cam quay với vận tốc biến thiên liên tục để kéo theo vấu cam như vậy là rất khó. Chính vì thế, CVVD tách trục cam và vấu cam thành hai chi tiết rời nhau riêng biệt. Vấu cam lúc này là một chi tiết được lắp đồng tâm và quay trơn trên trục cam. Trục cam lúc này sẽ quay với tốc độ bình thường, còn vấu cam được dẫn động từ trục cam thông qua một chi tiết là ổ quay trung gian.
Ổ quay trung gian được lắp ghép với trục cam và vấu cam thông qua các chốt. Trục cam quay thông qua chốt trục cam dẫn động ổ quay trung gian quay theo. Ổ quay trung gian thông qua chốt vấu cam kéo vấu cam quay theo trục cam. Các chốt này được lắp lỏng và có thể trượt trong rãnh chốt. Điều này giúp cho ổ quay trung gian vẫn có thể chuyển động quay ở vị trí không đồng tâm với trục cam.
Ổ quay trung gian được lắp quay trơn ở bên trong ống điều khiển ở bộ phận điều khiển. Khi ống điều khiển dịch chuyển ngang sang hai bên sẽ làm lệch tâm quay của ổ quay trung gian, qua đó làm biến thiên vận tốc góc của vấu cam.
2. Nguyên lí hoạt động của công nghệ van biến thiên CVVD:
Trước khi tìm hiểu xem cách CVVD hoạt động trên động cơ, hãy cùng tìm hiểu xem làm thế nào mà CVVD có thể làm biến thiên liên tục vận tốc góc của vấu cam trong một khoảng thời gian ngắn như vậy?
Về lí thuyết, khi một chất điểm chuyển động quay tròn quanh một tâm quay nào đó. Nếu khoảng cách từ tâm quay đến chất điểm càng lớn thì vận tốc của chất điểm sẽ càng cao. CVVD sử dụng tính chất này để điều chỉnh vận tốc góc của vấu cam.
Như đã trình bày ở phần trên, ổ quay trung gian có thể chuyển động quay tròn và lệch tâm so với trục cam nhờ chi tiết chốt trục cam có thể chuyển động trượt dọc qua tâm trục. Nếu ổ quay trung gian quay lệch tâm so với trục cam, những điểm cách xa tâm trục trên ổ quay sẽ quay với vận tốc lớn hơn. Ngược lại, những điểm ở gần tâm trục hơn sẽ quay với vận tốc bé hơn.
Ở trong trường hợp trên, tâm quay của trục cam và ổ quay trùng nhau. Khi này khoảng cách từ tâm đến các điểm trên ổ quay trung gian bằng nhau nên trục cam và ổ quay sẽ quay đồng tốc. Vấu cam được dẫn động từ ổ quay nên đương nhiên cũng sẽ quay đồng tốc với trục cam. Vận tốc góc của vấu cam lúc này quay đều, không biến thiên.
Khi ổ quay trung gian dịch chuyển lên trên. Tâm quay của ổ lúc này cao hơn so với tâm trục. Khoảng cách từ tâm trục đến các điểm ở vùng phía trên của ổ quay lớn hơn, đồng nghĩa với việc vận tốc của ổ quay khi này sẽ lớn hơn. Vận tốc ổ quay lớn dẫn đến vận tốc của đỉnh vấu cam lúc này lớn hơn.
Khi quay được nửa vòng, chốt trục cam và đỉnh vấu cam chuyển động quay xuống phần vùng dưới. Khoảng cách từ tâm trục đến đầu chốt trục cam lúc này nhỏ lại dẫn đến vận tốc của ổ quay lúc này giảm xuống. Đỉnh vấu cam lúc này quay chậm lại theo vận tốc của ổ quay.
Vận tốc góc của vấu cam sẽ biến thiên chia thành hai vùng, một vùng quay với vận tốc chậm và vùng còn lại sẽ quay với vận tốc nhanh hơn. Đảm bảo thời gian quay hết một vòng của vấu cam và trục cam là như nhau.
Ở trường hợp còn lại, khi ổ quay dịch chuyển xuống dưới, tâm quay của ổ thấp hơn so với tâm trục. Vận tốc của ổ quay và đỉnh vấu cam lúc này sẽ ngược lại so với trường hợp bên trên. Đỉnh vấu cam lúc này sẽ quay nhanh hơn khi ở vùng phía trên và quay chậm hơn khi quay ở vùng phía dưới.
Đó là cách mà CVVD sử dụng để điều chỉnh vận tốc góc tức thời của vấu cam. Các chi tiết này đều là các chi tiết cơ khí được chế tạo chính xác nên đảm bảo được độ tin cậy khi vận hành lâu dài. Chi tiết nhỏ gọn giúp tiết kiệm kích thước cho động cơ. Vậy thì CVVD sử dụng hệ thống này trên động cơ như thế nào?
Như đã trình bày, nếu ổ quay trung gian chuyển động quay lệch tâm so với trục cam thì vận tốc của vấu cam sẽ biến thiên lớn bé theo vùng tùy theo vị trí của ổ quay. Bộ phận điều khiển sẽ đảm nhiệm vai trò điều chỉnh vị trí đó.
Khi động cơ hoạt động ở dải tua thấp, bộ phận điều khiển sẽ điều chỉnh vị trí của ổ quay trung gian sao cho vận tốc đỉnh vấu cao tại thời điểm tác dụng vào con đội sẽ là vận tốc nhỏ. Khoảng thời gian tác dụng tăng lên đồng nghĩa với việc khoảng thời gian mở của xupap sẽ lớn hơn. Xupap sẽ mở sớm và đóng muộn hơn so với bình thường.
Ở chế độ này thì các kì của động cơ diễn ra với tốc độ chậm hơn. Xupap thường sẽ mở đến giữa kì nén mới đóng lại. Điều này giúp cải thiện hiệu quả nhiên liệu bằng cách giảm sức cản do lực nén.
Khi động cơ hoạt động ở vòng tua cao, các kì trong động cơ lúc này xảy ra với tốc độ cao hơn. Bộ phận điều khiển sẽ điều chỉnh vị trí của ổ quay sao cho vận tốc của vấu cam lớn hơn khi tác dụng lực lên xupap. Thời gian mở của xupap lúc này sẽ ngắn lại, phù hợp với hoạt động ở vòng tua cao của động cơ.
Xupap khi này sẽ mở muộn và đóng sớm hơn. Xupap sẽ đóng ngay khi kì nén bắt đầu để tối đa hóa lượng không khí sử dụng cho kì cháy giãn nở. Qua đó giúp tăng cường mô men xoắn để cải thiện sự tăng tốc của động cơ.
Ngoài ra, còn một khả năng nữa mà CVVD có thể làm được đó là việc điều khiển thời gian đóng mở của xupap nạp là một công việc hoàn toàn độc lập, không phụ thuộc vào xupap xả. Nói cách khác, hoạt động của các xylanh trên động cơ sẽ không phụ thuộc vào nhau.
Nhờ những khả năng trên, công nghệ van biến thiên CVVD của Hyundai đã giúp tăng 4% công suất động cơ và cải thiện 5% hiệu quả nhiên liệu. Ngoài ra, CVVD còn giúp giảm tới 12% lượng khí thải của động cơ đốt trong so với các công nghệ hiện tại và mang lại trải nghiệm lái xe tốt hơn.
Một số bài viết liên quan:
- Tìm hiểu về công nghệ van biến thiên Valvetronic của BMW
- Tìm hiểu về công nghệ cam biến thiên Vanos của BMW
- Tìm hiểu về công nghệ cam biến thiên VTEC của Honda
- Tìm hiểu về công nghệ cam biến thiên Mivec của Mitsubishi
- Cấu tạo và hoạt động của hệ thống van biến thiên VVT-i
- Công nghệ Freevalve của Koenigsegg giúp tạo 600 mã lực từ động cơ 3 xylanh ra sao?
