Hệ thống cơ - điện tử ô tô hiện đại KS.Nguyễn Hùng Mạnh
Các phương pháp điều khiển đường đặc tính động cơ trên ô tô hiện đại
Động cơ ô tô là nguồn động lực giúp ô tô có thể chuyển động được trên
đường. Từ khi ra đời, động cơ đã có nhiều cuộc cách mạng công nghệ làm thay đổi
đáng kể kết cấu cũng như các thông số của động cơ. Với xu thế phát triển ngày một
cao của nền công nghiệp ô tô bằng việc ứng dụng các thành tựu trong các lĩnh vực
điện- điện tử và công nghệ thông tin. Yêu cầu về tăng tốc hay nói cách khác là nâng
cao tốc độ của ô tô là mục đích của các nhà chế tạo ô tô trong tương lai. Động cơ
nguyên thủy ban đầu không đáp ứng được yêu cầu này. Để có thể hiểu rõ hơn, có
thể tìm hiểu từ đường đặc tính ngoài của động cơ như trên hình 1.
Hình 1 : Đường đặc tính mômen xoắn của động cơ
Qua đồ thị đặc tính mômen xoắn ta thấy, với động cơ nguyên thủy cho mô
men xoắn cao ngay cả khi tốc độ của xe thấp đồng thời cho phép chạy không tải ổn
định. Tuy nhiên nhược điểm là vùng vận tốc bị giới hạn nhỏ, khi vượt quá giới hạn
vận tốc này các giá trị về mô men xoắn, công suất đều giảm nhanh chóng, suất tiêu
hao nhiên liệu tăng, xe không có khả năng tăng tốc được nữa. Vấn đề đặt ra là cần
thiết nâng cao tốc độ lớn nhất của ô tô hay mở rộng vùng làm việc của động cơ ở số
vòng quay cao. Từ đồ thị ta thấy khi dịch chuyển đường đặc tính ngoài cho phép
1
Hệ thống cơ - điện tử ô tô hiện đại KS.Nguyễn Hùng Mạnh
phát huy công suất cực đại của động cơ, giá trị công suất, mô men xoắn cực đại có
thể tăng thêm.
Như vậy mong muốn có được động cơ có hai đặc tính như trên để có thể phát
huy được hết các ưu điểm và khắc phục được các nhược điểm vốn có của động cơ
nguyên thủy. Để làm được điều này, các hãng ô tô ở các nước có nền công nghiệp
ô tô phát triển đã nghiên cứu và triển khai nhiều công nghệ khác nhau. Sau đây là
một số phương pháp điều khiển hiện đang được ứng dụng trên các loại xe hiện
đại của các hãng.
1. Điều khiển pha phối khí của động cơ:
Ở các nhà sản xuất khác nhau, công nghệ ứng dụng có thể khác nhau, do vậy
tên gọi của hệ thống điều khiển này thường quy định theo chính nhà thiết kế. Trong
nhóm điều khiển pha phối khí của động cơ: Hãng Honda dùng thuật nhữ VTEC
(Variable Valve Timing and Lift Electronic Control) hoặc VTC (Valve Timing
Control), Hãng GM dùng thuật ngữ VVT ( Variable Valve Timing), Hãng Toyota
dùng thuật ngữ VVT-i (Variable Valve Timing-Intelligent) hoặc VVTL-i (Variable
Valve Timing and Lift- Intelligent).
Pha phối khí của động cơ được quyết định bởi cơ cấu phối khí có nhiệm vụ
điều khiển quá trình trao đổi khí trong xy lanh động cơ. Yêu cầu đối với cơ cấu
phối khí là nạp đầy nhiên liệu và thải sạch khí cháy ra khỏi buồng đốt đáp ứng
được mọi chế độ làm việc của động cơ. Trên ô tô hiện nay phổ biến vẫn là loại cơ
cấu phối khí dùng cam – xupáp. Pha phối khí của cơ cấu phối khí phụ thuộc vào
việc đặt dấu cam và biên dạng cam của trục cam. Xuất phát từ điều này mà các tác
động điều khiển đến cơ cấu phối khí nhằm vào tác động điều khiển đặt tự động dấu
cam (xoay trục cam đi một góc nào đó so với thời điểm ban đầu) hoặc là thay đổi
kết cấu biên dạng cam.
a) Đặt lại dấu cam tự động: Trên các loại xe hiện đại, công việc này có thể
thực hiện bằng cách điều khiển tự động thay đổi chiều căng đai cam (đối với loại
dẫn động trục cam bằng dây đai). Khi thay đổi chiều căng đai cam, bánh răng đầu
2
Hệ thống cơ - điện tử ô tô hiện đại KS.Nguyễn Hùng Mạnh
trục cam bị xoay đi một góc so với góc ban đầu làm xoay trục cam. Hoặc dùng
khớp dầu đầu trục cam để làm xoay trục cam như trên hình 2.
Bộ chấp hành của bộ điều khiển VVT-i dùng để điều khiển xoay trục cam
nạp. Vỏ của nó được dẫn động bởi xích cam, nhận chuyển động từ trục khuỷu động
cơ. Các cánh gạt được lắp trên trục cam. Sự thay đổi chiều áp lực dầu làm xoay
cánh gạt đồng thời cam quay, làm thay đổi thời điểm phối khí của trục cam nạp.
Hình 2 : Điều khiển pha phối khí bằng việc thay đổi khớp dầu
đầu trục cam
ECU sau khi nhận được các thông tin từ các cảm biến gửi về, tính toán thời
điểm đóng mở xu páp tối ưu phù hợp với các chế độ của động cơ và gửi tín hiệu
điều khiển van phân phối dầu đến trục cam. Việc cấp dầu làm quay cánh gạt lắp
trên trục cam dẫn đến làm sớm, muộn hay duy trì thời điểm phối khí. Các trạng thái
cụ thể như sau:
3
Hệ thống cơ - điện tử ô tô hiện đại KS.Nguyễn Hùng Mạnh
*) Trạng thái làm sớm:
ECU điều khiển van
phân phối dầu, cấp dầu theo
đường đi như hình 3, áp
suất dầu tác dụng lên
khoang cánh gạt, làm xoay
trục cam theo chiều làm sớm
pha phối khí.
Hình 3 : Trạng thái sớm pha phối khí
*) Trạng thái làm muộn:
Ngược lại trạng thái
trên, ECU điều khiển van
cấp dầu đi theo chiều như
hình 4, áp suất dầu làm
cánh gạt quay, trục cam
quay theo theo chiều làm
muộn pha phối khí
Hình 4 : Trạng thái muộn pha phối khí
*) Trạng thái giữ:
ECU tính toán góc
phối khí chuẩn theo tình
trạng đang hoạt động của
động cơ. Sau khi đặt pha
phối khí chuẩn, van phân
phối dầu được điều khiển
đóng van như hình 5
Hình 5 : Trạng thái giữ pha phối khí
4
Hệ thống cơ - điện tử ô tô hiện đại KS.Nguyễn Hùng Mạnh
b) Thay đổi biên dạng cam: Trên các loại xe hiện đại, trục cam có thể có
hai vấu cam hoặc ba vấu cam (cam tốc độ thấp và cam tốc độ cao). Trên hình là
trục cam 3 vấu của động cơ V-TEC hãng xe Honda gồm 2 cam tốc độ thấp và 1
cam tốc độ cao:
Đặc tính của động cơ khi trang bị hệ thống V-TEC:
Nguyên lý làm việc của V-TEC được thể hiện trên hình 6 :
- Khi chưa điều khiển ( Ở tốc độ thấp) : Các tín hiệu từ các cảm biến của
động cơ gửi thông tin tới ECU ( Electronic Control Unit) về tình trạng làm việc của
động cơ xác định ở tốc độ thấp. ECU không gửi tín hiệu điều khiển van tháo dầu
(dầu bôi trơn), khí đó chốt (1), (2) (chốt ở cam tốc độ thấp và cam tốc độ cao) nằm
ở vị trí trung gian. Khi trục cam (5) quay, cam tốc độ thấp (3) làm việc tác động lên
cò mổ (6) làm mở và đóng xu páp, cam tốc độ cao cũng quay nhưng không tác
dụng lên cò mổ xu páp.
- Khi điều khiển (Ở tốc độ cao) : ECU nhận được thông tin động cơ đang làm
việc ở số vòng quay cao, ECU sau khi nhận thông tin gửi tín hiệu xung điều khiển,
điều khiển mở van tháo dầu, dầu được cấp đi qua đường rỗng bên trong trục cam
đến cửa A. Do áp lực dầu, chốt 1 bị đẩy sang phải đồng thời chốt 2 cũng bị đẩy
sang phải nén chốt B (có lò xo nén). Khi các chốt (1), (2) dịch chuyển sang vị trí
bên phải nó sẽ khóa cứng cò mổ xu páp(6) với cò mổ trung gian (7). Trục cam (5)
quay ở tốc độ cao kéo theo cam tốc độ cao (4) quay, tác động lên cò mổ trung gian
(7) đến cò mổ xu páp (6) điều khiển mở, đóng xu páp ứng với chế độ tốc độ cao.
Quá trình điều khiển sẽ lặp lại tùy theo chế độ làm việc của động cơ.
5