Phân tích hệ thống VVT-iE thế hệ 2 của Toyota: Kết cấu, nguyên lý, động cơ sử dụng?

(News.oto-hui.com) – Việc tối ưu công suất động cơ phụ thuộc rất nhiều vào khả năng điều khiển của cơ cấu phân phối khí. Ở từng chế độ làm việc khác nhau của động cơ, độ đậm nhạt của hỗn hợp nhiên liệu cấp vào sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu suất của động cơ. Hệ thống VVT-iE thế hệ 2 của Toyota đã giúp cho cơ cấu phân phối khí trên xe trở nên thông minh, hiệu quả và tiết kiệm nhiên liệu hơn.

Chuỗi bài viết về van biến thiên của Toyota:

• Hệ thống Valvematic của Toyota có gì đặc biệt?
• Cấu tạo và hoạt động của hệ thống van biến thiên VVT-i
• Hệ thống VVT-iW có gì đặc biệt?
• Hệ thống DVVT của Toyota có gì đặc biệt?
• Hệ thống VVT-iE gen I (Variable Valve Timing – Intelligent Electric) có gì đặc biệt? (Thế hệ thứ I)

---

1. Yêu cầu đặt ra cho hệ thống phân phối khí của Toyota:

Với cơ cấu phối khí thông thường, mỗi 2 vòng quay trục khuỷu sẽ dẫn động trục cam quay 1 vòng, vì vậy vận tốc, thời gian của quay của trục cam gần như hoàn toàn phụ thuộc vào tốc độ quay của trục khuỷu. Tuy nhiên, với mỗi điều kiện khác nhau khi hoạt động, mỗi xe cần tối ưu hóa công suất và mô men ở số vòng tua khác nhau.

Nếu nhà thiết kế tối ưu công suất, mô men ở chế độ vòng tua thấp, quá trình đốt cháy nhiên liệu sinh công ở vòng tua cao sẽ bị giới hạn, từ đó làm giảm công suất chung của xe. Nếu ngược lại, tối ưu hóa công suất ở vòng tua cao sẽ làm cho xe tốn nhiên liệu, động cơ hoạt động không tốt ở chế độ vòng tua thấp.

Vì vậy thực tế này đặt ra yêu cầu cần có hệ thống phân phối khí thông minh hơn để có thể điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp vào, thời gian đóng mở xupap hay kim phun cho phù hợp với các chế độ làm việc khác nhau của động cơ.

Hệ thống VVT-iE thế hệ 2 được sinh ra để đáp ứng mọi yêu cầu đó ở mức độ hoàn thiện cao nhất. Hệ thống này là sự kết hợp của VVT-i thông thường (điều khiển bằng áp suất thủy lực) và hệ thống VVT-iE tân tiến nhất, điều khiển bằng điện.

2. Kết cấu và nguyên lý hoạt động hệ thống VVT-iE thế hệ 2:

Hệ thống VVT-iE thế hệ 2 có thể thay đổi thời gian, thời điểm đóng mở xupap nạp và thải nhờ thay đổi góc quay trục cam nạp trong khoảng 70° đến 85° so với góc quay trục khuỷu. Đối với trục cam xả, hệ thống VVT-i thông thường có thể thay đổi từ 41° đến 44° so với góc quay trục khuỷu (kết cấu và nguyên lý hoạt động sẽ được trình bày ở mục 3.)

Để thay đổi được góc quay này, hệ thống VVT-iE thế hệ 2 cần có Motor điện và một biến tần làm cơ cấu dẫn động. Motor điện được dùng để thay đổi tốc độ quay của trục lệch tâm. Nó cho phép hoạt động tốt ở cả với nhiệt độ động cơ thấp, áp suất dầu thấp ở số vòng tua thấp. Biến tần hoạt động khi động cơ nổ, từ đó giúp tối ưu hóa trục cam nạp và xả khi động cơ mới khởi động.

a. Kết cấu hệ thống VVT-iE thế hệ 2:

Motor VVT-iE thế hệ 2 bao gồm motor điện không chổi than, bộ điều khiển EDU và cảm biến vị trí trục cam loại Hall. EDU đóng vai trò trung gian trao đổi thông tin giữa bộ điều khiển động cơ ECM và bộ phận chấp hành, giúp điều khiển hướng và tần số quay của motor điện. EDU liên tục gửi tín hiệu về ECM về các thông số như tốc độ quay, tần số quay, chiều quay và trạng thái của các tín hiệu điều khiển.

Hộp bánh răng gồm có bánh răng xích, trục lệch tâm, bánh răng hành tinh và bánh răng trục cam. Bánh răng xích và bánh răng trục cam lần lượt có nhiều hơn 1 răng so với bánh răng hành tinh lớn và bánh răng hàng tinh nhỏ.

Hai bánh răng hành tinh được chế tạo liền trục, khi trục lệch tâm quay, chúng cũng quay theo và kéo theo bánh răng xích và bánh răng trục cam quay. Do có sự khác nhau về số răng như trên, mỗi vòng quay của trục lệch tâm sẽ làm cho bánh răng hành tinh lệch 1 răng so với bánh răng xích và bánh răng trục cam.

b. 3 pha làm việc của hệ thống VVT-iE thế hệ 2:

Pha làm sớm thời điểm phối khí:

Khi EDU nhận được tín hiệu từ ECM rằng cần làm sớm thời điểm phối khí, động cơ điện tăng vận tốc của mình, nâng vận tốc động cơ cao hơn so với vận tốc trục khuỷu. Thông qua cam lệch tâm và bánh răng trục cam, trục cam được tăng tốc và làm sớm thời điểm phân phối khí.

Khi này bánh răng đĩa xích quay cùng tốc độ dài với trục khuỷu (truyền động từ trục khuỷu bằng dây xích) nhưng lại khác tốc độ quay với trục cam (trục cam quay nhanh hơn nhờ động cơ điện). Vấn đề được giải quyết khi các bánh răng hành tinh đóng vai trò như bộ vi sai, đảm bảo cho 2 bánh răng xích và bánh răng trục cam có thể quay khác vận tốc.

Bánh răng hành tinh 4 vừa quay quanh trục vừa quay quanh bánh răng xích làm cho vận tốc trục và vận tốc bánh răng xích có thể khác nhau.

Pha làm muộn thời điểm phối khí:

Cũng như khi cần làm sớm, EDU xử lý tín hiệu và điều khiển vận tốc động cơ điện chậm hơn vận tốc trục cam (khi này là vận tốc trục khuỷu dẫn động qua bộ truyền xích). Từ đó làm chậm vận tốc trục cam lại và làm muộn thời điểm phối khí. Vận tốc trục cam và bánh răng xích lại khác nhau và các bánh răng hành tinh lại giúp đảm bảo hệ thống hoạt động trơn chu.

Pha giữ:

Khi đạt đến điểm tối ưu công suất và hiệu suất, không cần tăng hay giảm vận tốc trục cam so với vận tốc trục khuỷu, EDU đàm bảo động cơ điện quay cùng vận tốc với bánh răng xích, từ đó giúp đảm bảo trục cam quay cùng vận tốc với trục khuỷu.

3. Kết cấu và nguyên lý làm việc hệ thống VVT-i:

Hệ thống VVT-i có các bộ phận chính là phần điều khiển, van điều khiển và bộ phận chấp hành.

Phần điều khiển gồm có hộp điều khiển động cơ ECM (Engine Control Module) và điều khiển điện từ. Bộ phận chấp hành gồm vỏ, cánh gạt, chốt khóa, đĩa xích, trục cam.

Nguyên lý hoạt động:

Với phần điều khiển, ECM sẽ nhận tín hiệu từ cảm biến vị trí trục cam, xử lý và đưa ra tín hiệu tăng tốc, giảm tốc hay giữ nguyên vận tốc trục cam xả. Khi có tín hiệu gửi đến, điều khiển điện từ được bật lên, từ đó đẩy trục 4 vào van điều khiển.

a. Tăng tốc độ trục cam xả:

Khi này, van solenoid điều khiển điện từ mở lên đẩy chốt khóa vào trong (mở), đồng thời đẩy van điều khiển sang phải tới vị trí mở cổng dầu tăng tốc. Dầu với áp suất cao được bơm vào khoang tăng tốc trong bộ phận chấp hành, đẩy cánh gạt quay theo chiều kim đồng hồ và tăng tốc cho trục cam xả.

b. Giảm tốc độ trục cam xả:

Khi này, van solenoid điều khiển điện từ đẩy chốt khóa vào trong, đồng thời đẩy van điều khiển qua trục tới vị trí mở cổng dầu giảm tốc. Dầu với áp suất cao được bơm vào khoang giảm tốc, đẩy cánh gạt quay ngược chiều kim đồng hồ từ đó giảm tốc cho trục cam xả.

c. Giữ ổn định tốc độ trục cam xả:

Khi đã tăng hoặc giảm tốc, ECM sẽ tính toán góc tối ưu cho việc mở sớm hay muộn xupap xả và khi đã đạt được những điều kiện tối ưu, van solenoid điều khiển điện tử sẽ đẩy van điều khiển tới vị trí trung tính. Vị trí van điều khiển (Control valve) sẽ bị thay đổi nếu ECM nhận được tín hiệu cần thay đổi thời gian đóng mở xupap xả.

4. Ứng dụng động cơ của hệ thống VVT-iE thế hệ 2:

Hệ thống VVT-iE thế hệ 2 áp dụng cho động cơ: Dynamic Force (A25A, M20A, V35A), NR series (-FKE), trên các xe của Toyota từ 2014 đến nay. Cụ thể hơn, Toyota có thể sẽ sử dụng hệ thống VVT-iE này trên mẫu xe Vios 2023 của mình.

---

Bài viết liên quan:

• VCR Conrod – Một trong những công nghệ biến thiên tỷ số nén
• Tìm hiểu về hệ thống Variable Valve Event and Lift (VVEL) của Nissan
• Việc thay đổi thời điểm đóng mở xupap sẽ ảnh hưởng ra sao trong động cơ đốt trong?
• Xupap xả chứa Natri – Công nghệ ‘độc, lạ’ ít người biết
• Xupap động cơ ô tô – Những điều phải biết