Bài giảng Cơ cấu phân phối khí điều khiển điện tử

Nội dung text: Bài giảng Cơ cấu phân phối khí điều khiển điện tử

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN QUANG TRUNG BÀI GIẢNG CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ Đà Nẵng - 2013 1
2. Chương 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ TRÊN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.1. Cụng dụng và phân loại 1.1.1. Công dụng Cơ cấu phân phối khí trên động cơ đốt trong có nhiệm vụ đưa hòa khí (đối với động cơ xăng) hay không khí (đối với động cơ dầu) vào xylanh động cơ và thải khí cháy ra ngoài đúng lúc, đúng thì và đúng thứ tự nổ của động cơ. 1.1.2. Phân loại: Trên động cơ đốt trong dùng các loại cơ cấu phân phối khí sau: 1. Cơ cấu phân phối khí dùng xupap: Dùng xupap đóng mở cửa nạp và xả. Có 2 loại: + Cơ cấu dùng xupap đặt + Cơ cấu dùng xupap treo 2
3. 1: bánh răng cam; 2: mấu cam; 3: bạc lót; 4:xupap;5: ống dẫn hướng ; 6: đũa đẩy; 7: cò mổ; 8: đĩa chặn lò xo 2. Cơ cấu phối khí kiểu van trượt: Đa số sử dụng trên động cơ 2 kỳ, piston đóng vai trị như một van trượt điều khiển đóng mở cửa nạp và cửa thải 3
4. 3. Cơ cấu phân phối khí kiểu phối hợp: Kết hợp 2 kiểu trên, vừa có xupap, vừa có van trượt thường được sử dụng trên động cơ Diesel 2 kỳ, động cơ 2 kỳ quét thẳng. 1.2. Yêu cầu - Đóng mở xupap đúng thời gian quy định và đảm bảo độ kín khít - Độ mở đủ lớn để dòng khí lưu thông - Làm việc êm dịu, tuồi thọ và độ tin cậy cao - Thuận tiện trong việc bảo dưỡng, sửa chữa động cơ và giá thành chế tạo hợp lý 1.3. Các phương án bố trí xupap và dẫn động cơ cấu phối khí Các động cơ đốt trong dùng cơ cấu phối khí kiểu xupap hiện nay đều bố trí xupap theo hai cách: Bố trí xupap đặt và bố trí xupap treo. 1. Bố trí xupap đặt: Cơ cấu phân phối khí loại xupap đặt có xupap đặt bên hông động cơ, cơ cấu gồm các bộ phận sau: trục cam, con đội, đế tựa, lị xo, bạc dẫn hướng, xupap, vít điều chỉnh và cơ cấu truyền động. 4
5. Cơ cấu phối khí dùng xupap đặt thường dùng trên động cơ xăng có tỷ số nén thấp và số vòng quay không lớn * Ưu điểm: - Giảm được chiều cao động cơ - Kết cấu nắp xylanh đơn giản và dẫn động xupap cũng dễ dàng. * Nhược điểm: - Buồng đốt lớn - Diện tích truyền nhiệt lớn nên tính kinh tế của động cơ kém ( tiêu hao nhiên liệu, giảm hệ số nạp, ) 2. Bố trí xupap treo: Có hai phương pháp dẫn động xupap: - Kiểu OHV: Trục cam bố trí trên thân my. - Kiểu OHC: Trục cam bố trí trên nắp my. * Kiểu OHV (overhead valve) 1: Bánh răng cam; 2: mấu cam; 3: bạc lót; 4:xupap; 5: ống dẫn hướng; 6: đũa đẩy; 7: cò mổ; 8: đĩa chặn lò xo; 9: lò xo; 10: cổ trục cam. * Kiểu OHC (overhead camshaft) 5
6. . * Ưu điểm: - Buồng cháy gọn - Diện tích bề mặt truyền nhiệt nhỏ nên làm giảm tổn thất nhiệt - Đối với động cơ xăng khi dùng cơ cấu này có thể tăng tỷ số nén từ 0.5 – 2 so với xupap đặt - Đường nạp và đường thải thoáng, tăng được hệ số nạp. * Nhược điểm: - Dẫn động xupap phức tạp, làm tăng chiều cao động cơ - Làm cho kết cấu nắp máy phức tạp, gây khó khăn cho việc gia cơng chế tạo - Diện tích truyền nhiệt lớn nên tính kinh tế của động cơ kém (tiêu hao nhiên liệu, giảm hệ số nạp, ) 3. Dẫn động xupap 6
7. Trục cam có thể bố trí trên nắp máy hoặc ở hộp trục khuỷu để dẫn động trực tiếp hay gián tiếp xupap. Số trục cam trên nắp máy có thể là một hoặc hai trục cam. 4. Phương án dẫn động trục cam a. Dẫn động trục cam bằng bánh răng * Ưu điểm: - Kết cấu đơn giản - Truyền động êm và bền do sử dụng bánh răng nghiêng * Nhược điểm: Khi khoảng cách giữa trục cam và trục khuỷu lớn phải dùng thêm các bánh răng trung gian, điều này làm cồng kềnh và phức tạp. b. Dẫn động bằng xích: Khi trục khuỷu v trục cam đặt xa nhau. * Ưu điểm: Dùng cho các trục có khoảng cách lớn * Nhược điểm: - Giá thành xích cao hơn so với bánh răng - Gây tiếng ồn khi làm việc - Dễ bị sai lệch pha phối khí - Để cho xích luôn được căng phải dùng cơ cấu căng xích. c. Dẫn động trục cam bằng trục: Khi trục cam và trục khuỷu đặt xa nhau thì có thể dùng trục trung gian để dẫn động d. Dẫn động trục cam bằng đai răng: 7
8. Đa số các động cơ hiện nay sử dụng cách này. Ưu điểm lớn nhất của cơ cấu này là truyền động êm dịu, đai có tuổi thọ lớn không cần bảo dưỡng, giá thành thấp hơn xích. 1.4. Kết cấu các chi tiết chính của cấu phân phối khí 1.4.1. Xupap a. Công dụng, điều kiện làm việc, vật liệu chế tạo * Công dụng: Xupap có nhiệm vụ đóng và mở các lổ nạp và thải theo đúng thời điểm làm việc của động cơ * Điều kiện làm việc: Chịu nén, kéo do tác dụng của áp suất môi chất trong buồng cháy, lực kéo của lò xo và lực mở của đòn mở hoặc cam; đồng thời chịu ăn mòn của khí cháy và mài mòn. * Vật liệu chế tạo: Thép hợp kim Mỗi xylanh động cơ có ít nhất hai xupap, một xupap nạp dùng mở cửa nạp và một xupap thải dùng mở cửa thải. 8
9. b. Cấu tạo: Xupap được chia làm 3 phần: nấm, thân và đuôi xupap. Nấm xupap dạng hình nón cụt, bề mặt xupap dùng để làm kín. Góc nghiêng xupap là 45 0, đôi khi 300 hoặc 600. khi góc nghiên càng bé thì tiết diện mở càng lớn nhưng độ cứng vững của xupap càng giảm. Đường kính nấm xupap nạp thường lớn hơn xupap thải. Thân xupap chuyển động trong ống dẫn hướng, thân xupap có dạng hình trụ, khe hở lắp ghép giữ xupap và ống dẫn hướng phải lớn. Để đảm bảo sự chuyển động chính xác của xupap và ngăn ngừa nhớt vào buồng đốt, cũng như khí cháy vào buồng đốt làm hỏng dầu bôi trơn. 9
10. Đuôi xupap nhận lực tác động từ cò mổ hoặc con đội, ngoài ra nó còn dùng để giữ lò xo xupap. 1.4.2. Đế xupáp: Đế xupap được ép chặt vào nắp máy, khi xupap đóng bề mặt của nấm xupap ép chặt vào bề mặt của đế để làm kín. Đế xupap còn có tác dụng truyền nhiệt từ đầu xupap ra nắp máy. Góc lệch của đế xupap được chế tạo lệch so với bề mặt xupap từ ½ đến 1o. Vết tiếp xúc giữa bệ và bề mặt xupap từ 1,2 đến 1,3 mm. Có loại đế xupap là một chi tiết rời được lắp chặt vào nắp máy (loại này được sử dụng phổ biến hiện nay) và có loại được đúc liền với nắp máy. 10
11. 1.4.3. Lò xo: Lò xo đảm bảo cho xupap chuyển động theo đúng quy luật khi động cơ hoạt động. Móng hãm được đặt vào đế trên và lồng vào rãnh đuôi xupap để đảm bảo đuôi xupap đóng kín với một lực ép ban đầu của lò xo. Đa số xupap dùng một lò xo, một số động cơ người ta dùng hai lò xo cho một xupap. Để tránh lò xo bị gãy do cộng hưởng ở số vòng quay cao, người ta chế tạo lò xo xupap có bước thay đổi. Lực đàn hồi của lò xo xupap phải đủ lớn để giữ cho xupap làm việc chính xác. Nếu lực đàn hồi quá lớn sẽ làm cho các chi tiết mau mòn. Ở một số động cơ, cơ cấu xoay xupap thay thế cho đế chặn lò xo. Cơ cấu này làm cho xupap xoay để đảm bảo xupap đóng kín trên bệ do muội than hoặc chì bám trên bề mặt tiếp xúc. 1.4.4. Đĩa lò xo: Đĩa lò xo kết hợp với móng hãm có tác dụng giữ cho lò xo không bị văng ra ngoài và đảm bảo xupap đóng kín khi động cơ hoạt động. 11
12. Thức tế cho thấy phần nhiều xupap cháy do hở vì muội than bám trên mặt vát của xupap, khí cháy lọt qua khoét lõm dần dần. Để hạn chế hỏng hóc của động cơ do xupap gây ra, ở một số động cơ xupap được trang bị thêm cơ cấu xoay. Cơ cấu này làm cho xupap xoay được một góc độ quanh trục của nó. Khi xoay xupap sẽ quét bay muội than bám trên đế hoặc mặt vát của nó, thân xupap và ống dẫn hướng mòn đều, giảm bớt kẹt treo xupap. Có 2 loại cơ cấu xoay xupap: * Xupap tự xoay: Đuôi xupap được giữ trong đế lò xo nhờ móng hãm tựa vào vai dưới đuôi xupap. Đế chụp dưới đuôi xupap và tựa lên vít điều chỉnh của con đội. Khi con đội đi lên đội đế chụp, móng hãm và đế lò xo xupap chịu lực đè của lò xo. Đuôi xupap không còn bị kẹt cứng trong đế lò xo nữa mà đứng tự do trong đế chụp nên nó sẽ tự quay theo chân rung của động cơ đang nổ. * Xupap xoay bắt buộc: Vành bọc A bao quanh bộ lò xo B. lò xo tựa lên vành bọc A, loongden đàn hồi C nằm trong vành bọc A và tựa lên các viên bi D và các lò xo nhỏ F. bi D và các lò xo bật về F bố trí trong các khoang đái dốc của đế B. khi con đội đi lên, vít B nâng xupap và tác động lên vành A làm cho long đền C ấn vào các viên bi D tụt lăn xuống đáy nghiêng Ecủa khoang chứa đế B. chính nhờ các động tác này của các viên bi B buộc xupap phải xoay một góc độ. Sau khi xupap đóng các lò xo F lại bật các viên bi D về vị trí cũ chuẩn bị xoay xupap cho lần mở kế tiếp. 12
13. * Móng hãm: Có các loại sau: móng ngựa, chốt dẹp, móng côn có vấu, móng côn không vấu. 1.4.5. Ống dẫn hướng: Nhiệm vụ: Ống dẫn hướng là một chi tiết rời được ép chặt vào nắp máy. Chức năng của ống dẫn hướng dùng để dẫn hướng cây xupap. Cấu tạo: 13
14. Chương 2. CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ THÔNG MINH 2.1. Pha phân phối khí Động cơ H6 của Porsche được áp dụng công nghệ điều khiển pha phối khí thông minh để giảm mức tiêu thụ nhiên liệu, nồng độ khí thải và tăng khả năng tăng tốc của xe Chức năng chính của cơ cấu phối khí (CCPK) là điều khiển quá trình nạp đầy hỗn hợp (hoặc không khí mới) vào xy-lanh và thải sạch khí thải ra khỏi xy-lanh. Hai thông số chính có ảnh hưởng quyết định đến chất lượng của quá trình nạp đầy và thải sạch là pha phân phối khí và tiết diện lưu thông của hỗn hợp khí. Pha phân phối khí được hiểu là các giai đoạn từ lúc mở đến lúc đóng xu-páp tính bằng góc quay trục khuỷu, còn tiết diện lưu thông của hỗn hợp khí đi qua một xu-páp là diện tích hình vành khăn được tạo bởi họng đế xu- páp và phần đế của xu-páp khi xu-páp đó mở. Trên các loại động cơ thông thường, tiết diện lưu thông của hỗn hợp khí luôn tuân theo một quy luật không đổi ở tất cả các chế độ làm việc khác 14
15. nhau của động cơ. Vì vậy ở một số chế độ (tải nhỏ, tăng tốc, toàn tải, ) thời gian đóng mở xu-páp không hoàn toàn hợp lý, lượng nhiên liệu cung cấp cũng chưa phù hợp với chế độ làm việc của động cơ gây tổn hao nhiên liệu và mất mát công suất. Chính vì vậy, hệ thống điều khiển pha phối khí thông minh (HTĐKPPKTM) ra đời đã khắc phục được các nhược điểm trên. Những cải tiến của cơ cấu phối khí đều căn cứ vào sơ đồ pha phân phối khí này a) Pha phân phối khí ở chế độ tải nhỏ: Trường hợp khi tải nhỏ, động cơ hoạt động ở vòng quay thấp và trung bình. Thời điểm phối khí của trục cam nạp được làm trễ lại do đó góc trùng điệp xu-páp được tăng lên, lượng khí thải sẽ dễ dàng thoát ra khỏi xy-lanh, mặt khác thời gian các xu-páp nạp mở cũng được rút ngắn để ngăn hỗn hợp nhiên liệu - không khí chảy ngược lại đường ống nạp. Xu-páp nạp cũng được mở ra ít hơn. Điều này giúp cho động cơ làm việc ổn định và giảm lượng tiêu hao nhiên liệu không cần thiết của động cơ mà vẫn đảm bảo xe có thể di chuyển tốt ở số vòng quay thấp. Đồng thời xu-páp nạp được mở ít sẽ làm giảm ma sát mài mòn của trục cam và lượng hydrocacbon trong khí xả được giảm đi ở dải tốc độ thấp và trung bình. 15
16. b) Pha phân phối khí ở chế độ tăng tốc: Trường hợp khi tăng tốc, lượng khí nạp vào trong xy-lanh sẽ được gia tăng từ khi bắt đầu tăng tốc. Tức là xu-páp nạp sẽ được mở sớm với tiết diện lưu thông lớn. Xu-páp thải cũng được mở sớm hơn để đẩy lượng khí thải ra khỏi động cơ và làm tăng mật độ của lượng hỗn hợp khí nạp vào. c) Pha phân phối khí ở chế độ tải lớn và tốc độ cao: Trường hợp khi tải lớn và động cơ hoạt động ở số vòng quay cao. Thời điểm phối khí được làm sớm lên do đó khoảng trùng điệp của xu- páp nạp và xu-páp thải giảm đi, thời gian mở của xu-páp nạp được kéo dài, tăng lượng nhiên liệu nạp vào xy-lanh và tạo thành áp suất cao trong buồng đốt do đó làm tăng mô- men xoắn của động cơ. Ngoài ra, thời điểm đóng xu-páp nạp được đẩy sớm lên để giảm hiện tượng quay ngược khí nạp lại đường nạp và cải thiện hiệu quả nạp. d) Pha phân phối khí tạo hồi lưu khí thải: Khí thải trên đường thải sẽ quay trở lại đường nạp (Nội tuần hoàn khí thải) nếu mở sớm xupáp nạp và đóng muộn xupáp thải (xupáp nạp và xupáp thải đều mở). Ưu điểm của nội tuần hoàn khí thải so với ngoại tuần hoàn là tăng tính phản ứng và phân bố đồng đều. 16
17. 2.2. Cấu tạo của cơ cấu phân phối khí thông minh Một CCPK thông thường có cấu tạo gồm các chi tiết chính là trục cam, cò mổ, xu-páp và hệ thống dẫn động. Đối với CCPPKTM, cấu tạo của nó rất đa dạng và phong phú, bên cạnh những cải tiến công nghệ dựa trên cơ cấu truyền thống, đã có rất nhiều kết cấu mới ra đời. a) Hệ thống EMVT không sử dụng trục cam, cò mổ và hệ thống dẫn động. Việc đóng mở xu-páp nhờ lực lò xo và các van điện từ tác dụng hai chiều, pha phân phối khí và độ mở của xu-páp được xây dựng dựa trên một chương trình được lập trình định sẵn. Thông qua các cảm biến để xác định chế độ làm việc của động cơ, từ đó lựa chọn các biện pháp điều khiển phù hợp. Ưu điểm của phương án này là kết cấu nhỏ gọn, hạn chế tối đa mất mát năng lượng do dẫn động cơ khí, tuy nhiên nhược điểm của nó chính là tiêu hao điện năng lớn. Bộ điều khiển và chương trình phức tạp. b) Hệ thống sử dụng trục cam với một loại vấu cam, bổ sung và thay đổi các chi tiết của hệ thống dẫn động (VANOS - Variable nockenwellen steuerung của BMW), cấu tạo của cơ cấu phân phối khí loại này thường sử dụng kết hợp với các bộ truyền cơ khí như cò mổ trung gian, trục lệch tâm, bộ truyền bánh răng, trục vít bánh vít, c) Hệ thống có bố trí hai loại vấu cam trên trục cam với 2 biên dạng khác nhau thường được gọi là vấu cam tốc độ thấp và vấu cam tốc độ cao (VTEC - Variable Vale Timing and Lift Electronic Control của HONDA, VVTL-i - Variable Vale Timing – intelligent của TOYOTA hay VVEL - Variable Valve Event and Lift của Nissan). Tùy theo điều kiện làm việc cụ thể của động cơ mà sử dụng loại vấu cam phù hợp. Cơ cấu loại này thường được kết hợp với các van điều khiển và bộ chấp hành thủy lực để xoay trục cam trong một phạm vi nhất định so với góc quay của trục khuỷu để đạt được thời điểm phối khí tối ưu cho các điều kiện hoạt động của động cơ dựa trên tín hiệu từ các cảm biến và tín hiệu điều khiển từ ECU. d) Hệ thống có bố trí trên trục cam với 3 biên dạng cam kích thước khác nhau (MIVEC - Mitsubishi innovative Valve timing Electronic Control System của Misubishi và VARIO CAM PLUS của hãng PORSCHE). Biên dạng cam lớn nhất đặt ở giữa và hai biên dạng cam nhỏ và trung bình đặt ở hai bên. Mặc dù có 3 biên dạng cam như vậy nhưng chỉ tạo ra 2 chế độ động cơ: Chế độ tốc độ thấp, sử dụng biên dạng cam nhỏ, trung bình và chế độ tốc độ cao sử dụng biên dạng cam lớn. Loại này thường sử dụng bộ dẫn động điều khiển thủy lực hoặc bánh răng để thay đổi các biên dạng cam làm việc, cho phù hợp với các chế độ của động cơ. 17
18. Tất cả các hệ thống điều khiển pha phối khí thông minh đều nhằm mục đích nạp đầy hỗn hợp cháy và thải sạch khí thải 2.3. Ưu điểm của HTĐKPPKTM - Nâng cao tính kinh tế nhiên liệu. Quá trình phân phối khí được tính toán và điều khiển một cách tối ưu theo chế độ hoạt động của ôtô. Lượng hỗn hợp khí được đưa vào xy-lanh rất phù hợp, đảm bảo nhiên liệu được nạp đầy và thải sạch, hạn chế tối đa lượng nhiên liệu dư thừa quay trở lại đường nạp cũng như khí sót thải ra môi trường. - Tăng cường khả năng tăng tốc. Hệ thống có khả năng thích ứng và phản ứng nhanh với điều kiện hoạt động của động cơ, cung cấp nhanh chóng lượng khí nạp có mật độ cao giúp cho quá trình tăng tốc diễn ra nhanh hơn. - Tăng công suất động cơ. Khi động cơ cần công suất lớn, xu-páp nạp được điều chỉnh mở sớm hơn và lớn hơn làm tăng lượng khí nạp, giúp tăng công suất đầu ra của động cơ. Đồng thời xu-páp thải cũng được điều khiển để mở sớm nhằm thải sạch khí thải, tăng thêm mật độ của khí nạp. - Giảm lượng khí xả độc hại. Thời gian đóng mở xu-páp nạp được tối ưu hoá ngay từ khi khởi động, lượng nhiên liệu được cung cấp phù hợp cho các quá trình hoạt động với số vòng quay trung bình, vòng quay lớn, quá trình tăng tốc, tải lớn, cho nên sản phẩm cháy “sạch” hơn so với động cơ thông thường, lượng khí cacbondioxit được giảm xuống nhờ hỗn hợp cháy hoàn toàn, giảm lượng khí độc (CO2, NO, HC) thải ra môi trường. 2.4. Cấu tạo cơ bản hệ thống thay đổi pha phân phối khí thông minh a) Bộ điều khiển (fluted variator) Bộ điều khiển để điều chỉnh trục cam nạp được lắp đặt trực tiếp trên đầu trục cam. Nó điều chỉnh trục cam nạp theo tín hiệu từ bộ điều khiển điện tử của động cơ. Bộ điều khiển để điều chỉnh trục cam xả được lắp trực tiếp trên đầu trục cam xả. Nó điều chỉnh trục cam xả theo tín hiệu từ bộ điều khiển động cơ. Cả hai bộ điều khiển là thủy lực hoạt động và được kết nối với hệ thống dầu động cơ thông qua các hộp điều khiển điện tử. 18
19. b) Hộp điều khiển (control housing) Hộp điều khiển được gắn trên nắp máy nó chứa cả các đường dầu và bộ điều khiển. c) Van diện từ (solenoid valves) Có hai van điện từ nằm ở hộp điều khiển để cung cấp dầu trực tiếp cho hai bộ điều khiển theo tin hiệu điều khiển từ bộ điều khiển điện tử của động cơ. Van N205 điều khiển dầu cung cấp cho bộ điều khiển cam nạp và van N318 điều khiển dầu cung cấp cho bộ điều khiển cam thải. 19
20. Hoạt động của hệ thống thể hiện ở hình sau đây: 20
21. Chương 3. HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÍ VTEC CỦA HONDA 3.1. Introduction VTEC (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control) is a valve train system developed by Honda to improve the volumetric efficiency of a four-stroke internal combustion engine. This system uses two camshaft profiles and electronically selects between the profiles. This was the first system of its kind. Different types of variable valve timing and lift control systems have also been produced by other manufacturers (MIVEC from Mitsubishi, VVTL-i from Toyota,VarioCam Plus from Porsche, VVL from Nissan, etc.). It was invented by Honda R&D engineer Ikuo Kajitani. It can be said that VTEC, the original Honda variable valve control system, originated from REV (Revolution-modulated valve control) introduced on the CBR400 in 1983 known as HYPER VTEC. In the regular four-stroke automobile engine, the intake and exhaust valves are actuated by lobes on a camshaft. The shape of the lobes determines the timing, lift and duration of each valve. Timing refers to an angle measurement of when a valve is opened or closed with respect to the piston position (BTDC or ATDC). Lift refers to how much the valve is opened. Duration refers to how long the valve is kept open. Due to the behavior of the working fluid (air and fuel mixture) before and after combustion, which have physical limitations on their flow, as well as their interaction with the ignition spark, the optimal valve timing, lift and duration settings under low RPM engine operations are very different from those under high RPM. Optimal low RPM valve timing, lift and duration settings would result in insufficient filling of the cylinder with fuel and air at high RPM, thus greatly limiting engine power output. Conversely, optimal high RPM valve timing, lift and duration settings would result in very rough low RPM operation and difficult idling. The ideal engine would have fully variable valve timing, lift and duration, in which the valves would always open at exactly the right point, lift high enough and stay open just the right amount of time for the engine speed in use. VTEC was initially designed to increase the power output of an engine to 100 PS/liter or more while maintaining practicality for use in mass production vehicles. Some later variations of the system were designed solely to provide improvements in fuel efficiency, or increased power output as well as improved fuel efficiency. In practice, a fully variable valve timing engine is difficult to design and implement. VTEC: VTEC is one of Honda's greatest invention. Though an undisputed expert in turbocharging as evidenced by years of Formula-1 domination while 22
22. Honda was active in the sport, Honda's engineers feels that turbocharging has disadvantages, primarily bad fuel economy, that made it not totally suitable for street use. At the same time, the advantages of working with smaller engines meant that smaller capacity engines with as high power output as possible (ie very high specific-output engines) are desirable for street engines. Thus Honda invented VTEC which allows it to extract turbo level specific output from its engines without having to suffer from the disadvantages of turbocharging (though VTEC introduces disadvantages of its own). The Temple of VTEC is specifically created by Jeff Palmer as a dedication to this great technology and the Temple of VTEC Asia is dedicated to the home of VTEC -and of Honda, Japan and the region of Asia. In this permanent feature, we will examine the basic mechanism that make up the VTEC technology as well as the various implementations of VTEC. The VTEC system has been around since 1989, and was first introduced on a 1.6 litre dual over-head cam (DOHC) engine in a Honda Integra. These engines have a separate camshaft for the intake and exhaust cam, and the VTEC changes the profile of both camshafts at the same time. Later, Honda started introducing VTEC also in single cam (SOHC) engines (i.e with a single camshaft for both intake and exhaust). The downside of this is that the VTEC system on these engines only work on the intake valves. 3.2. The Basic VTEC Mechanism The basic mechanism used by the VTEC technology is a simple hydraulically actuated pin. This pin is hydraulically pushed horizontally to link up adjacent rocker arms. A spring mechanism is used to return the pin back to its original position. The VTEC mechanism is covered in great detail elsewhere so it is redundant to go through the entire mechanism here. Instead we will look at the basic operating principles which can be used in later sectionse to explain the various implementations VTEC by Honda. 23
23. To start on the basic principle, examine the simple diagram below. It comprises a camshaft with two cam-lobes side-by-side. These lobes drives two side-by-side valve rocker arms. The two cam/rocker pairs operates independently of each other. One of the two cam-lobes are intentionally drawn to be different. The one on the left has a "wilder" profile, it will open its valve earlier, open it more, and close it later, compared to the one on the right. Under normal operation, each pair of cam-lobe/rocker-arm assembly will work independently of each other. VTEC uses the pin actuation mechanism to link the mild-cam rocker arm to the wild-cam rocker arm. This effectively makes the two rocker arms operate as one. This "composite" rocker arm(s) now clearly follows the wild-cam profile of the left rocker arm. This in essence is the basic working principle of all of Honda's VTEC engines. Currently, Honda has implemented VTEC in four different configurations. For the rest of this feature, we will examine these four different implementations of VTEC. 2.3. DOHC VTEC The pinnacle of VTEC implementation is the DOHC VTEC engine. The first engine to benefit from VTEC is the legendary B16A, a 1595cc 24
24. inline-4 16Valve DOHC engine with VTEC producing 160ps and first appearing in 1989 in the JDM Honda Integra XSi and RSi. Examine the diagram of a typical Honda DOHC PGM-Fi non-VTEC engine on the left, in this case the 1590cc ZC DOHC engine. Note that each pair of cam-lobe and their corresponding rocker arms though adjacent, are spaced apart from each other. In the DOHC VTEC implementation, Honda put an extra cam/rocker in between each pair of intake and exhaust lobes/rockers. The three cam/rocker assemblies are now next to each other. The new middle lobe is the "wild" race-tuned cam-lobe. Using VTEC to link up all three rocker arms together, Honda is able to use either the mild or the wild cam-lobes at will. Note : Though the ZC and B16A are well-suited to illustrate the difference between plain-DOHC and DOHC-VTEC, the B16A engine is not derived from ZC. In fact, ZC and B16A have different bore and stroke. The same applies for the B18A and B18C engines used in the JDM Integra series. DOHC VTEC implementations can produce extremely high specific outputs. The B16A for standard street use first produced 160ps and now 170ps. In the super-tuned B16B implementation used for the new JDM EK- series Honda Civic Type-R, 185ps was produced from the same 1595cc. DOHC VTEC can also easily offer competitive power outputs to turbocharged engines for normal street use. For eg, the E-DC2 Integra Si- VTEC produces 180ps from the 1797cc DOHC VTEC B18C engine. This compares favourably to the 1.8l version of the RPS-13 Nissan 180SX which uses a 1.8l DOHC Turbo-Intercooled engine which produced 175ps. 2.4. SOHC VTEC An alternative implementation of VTEC for high (versus very high) specific output is used in Honda's SOHC engines. SOHC VTEC engines have often been mistakenly taken as a 'poor' second-rate derivative of DOHC VTEC but this is not the true case. An SOHC engine head has advantages of a DOHC head mostly in terms of size (it is narrower) and weight. For more 25
25. sedate requirements, an SOHC engine is preferable to the DOHC engine. SOHC VTEC is a power implementation of VTEC for SOHC engines with the express intention of extracting high specific output. Examine the diagram of a standard SOHC cam assembly on the right. Note that the pair of intake rocker arms are separated but adjacent to each other. In the SOHC VTEC implementation (diagram on the right), Honda put a wild-cam lobe for the intake valves in the space between the two rocker arms. Note that the two exhaust rocker arms are separated by the two intake rocker arms and the "tunnel" for the sparkplug cable connector. This is the reason why Honda implemented VTEC on the intake valves only. SOHC VTEC engines are high specific output forms of the standard SOHC engines. The D15B engine used in the Civic/Civic Ferio VTi models (EG-series 1991 to 1995) gives 130ps from a 1493cc capacity. Bear in mind this kind of power levels are normally associated with 1.6l DOHC or even milder-tuned 1.8l DOHC fuel-injected engines ! 2.5. VTEC-E A novel implementation of VTEC in SOHC engines is the VTEC-E implementation (E for Economy). VTEC-E uses the principle of swirling to promote more efficient air-and-fuel mixing in the engine chambers. VTEC-E works by deactivating one intake valve. Examine the diagram below. 26
26. In the SOHC VTEC-E implementation, only one intake cam-lobe is implemented on the camshaft. Actually it is really a flat "ring". In operation this means the relevant rocker arm will not be activated causing the engine to effectively work in 12-valve mode. This promotes a swirl action during the intake cycle. VTEC is used to activate the inactive valve, making the engine work in 16-valve mode in more demanding and higher rpm conditions. Honda was able to implement air-fuel mixture ratios of more than 20:1 in VTEC-E during the 12-valve operating mode. The SOHC VTEC-E engined EG-series Civic ETi is able to return fuel consumptions of as good as 20km/litre or better!! SOHC VTEC implemented for power is often mistaken as SOHC VTEC-E which is implemented for economy. It is worthwhile to note that the 1.5l SOHC VTEC-E used in the JDM Honda Civic ETi produces 92ps. This is in fact less than that produced by the standard 1.5l SOHC engine's 100ps which uses dual Keihin side-draft carburettors. SOHC VTEC in the D15B produces 130ps. This is 30% more than the standard SOHC implementation ! 2.6. Stage VTEC Examine the SOHC VTEC and SOHC VTEC-E implementations. The clever Honda engineers saw that it is a logical step to merge the two implementations into one. This is in essence the 3-stage VTEC implementation. 3-stage VTEC is implemented on the D15B 1.5l SOHC engine in which the VTEC-E mechanism is combined with the power VTEC mechanism. Many of us probably has laughed at the poor ignorant layman who said "I want power AND economy from my Honda". We know of course that power and economy are mutually exclusive implementations. Honda decided not to abide by this rule. Now, with 3-stage VTEC, we get BOTH power and economy !. The diagram below illustrates the 3-stage VTEC implementation. The intake rocker arms have two VTEC pin actuation mechanisms. The VTEC-E actuation assembly is located above the camshaft while the VTEC (power) actuation assembly is the standard wild-cam lobe and rocker assembly. 27
27. Below 2500rpm and with gentle accelerator pressure, neither pin gets actuated. The engine operates in 12V mode with very good fuel combustion efficiency. When the right foot gets more urgent and/or above 2500rpm, the upper pin gets actuated. This is the VTEC-E mechanism at work and the engine effectively enters into the '2nd stage'. Now D15B 3-stage works in 16V mode (both intake valves works from the same mild cam-lobe). Stage 2 operates from around 2500rpm to 6000rpm. When the rpm exceeds 6000rpm, the VTEC mechanism activates the wild cam-lobe pushing the engine into the '3rd stage', the power stage. Now the engine gives us the full benefit of its 130ps potential ! The 3-stage VTEC D15B engine is used on the current EK-series JDM Civic/Civic Ferio VTi/Vi together with Honda's new Multimatic CVT transmission. Stage-1 12V or "lean-burn" operation mode is indicated to the driver by an LED on the dashboard. The 2500rpm cutover from lean-burn to normal 16V operation in fact varies according to load and driver requirements. With gentle driving, lean-burn can operate up to 3000rpm or higher. Stage-3 may not always be activated. The Multimatic transmission has a selector for Economy, Drive, and Sports mode. In Economy mode for eg, the ECU operates with a max rpm of around 4800rpm even at Wide-Open- Throttle positions. The essence of 3-stage VTEC is power AND economy implemented on a 1.5l SOHC PGM-Fi engine. Many people mistakes 3-stage VTEC as a "superior" evolution of the power oriented DOHC VTEC implementation, describing DOHC VTEC as "the older 2-stage VTEC" and implying an inferior relationship. This is totally wrong because DOHC VTEC is tuned purely for high specific output and sports/racing requirements. 3-stage VTEC is in truth an evolution of SOHC VTEC and VTEC-E, merging the two implementations into one. 2.7. Implementations of VTEC in Honda models DOHC VTEC is the implementation producing the highest-powered engines and used in the highest performing models in the Honda line-up. The 28
28. smallest DOHC VTEC engine is the legendary B16A. A 1595cc 160-170ps engine that first appeared in the 1989 Honda Integra XSi and RSi, it now powers the famous Civic SiR models. The B16B is a special hand-tuned super high output derivative of the B16A giving 185ps and used in the Civic Type- R. The B18C is a 180ps 1797cc engine that appears in the high performance Integra line-up. The B18CSpec96 is a special hand-tuned super high output version of the B18C giving 200ps and used in the legendary Integra Type-R. DOHC VTEC implementations now appear in most of Honda's great line-up. The Accord SiR used to have a detuned 190s H22A 2.2l DOHC VTEC which was also used on the same period Prelude Si-VTEC in which it gave 200ps. The current Accord line now has a 2.0l DOHC VTEC engine that gives 180ps and 200ps in the Accord SiR and SiR-T models respectively while the current Prelude SiR still uses the H22A 2.2l DOHC VTEC engine giving 200ps. A special hand-tuned version of H22A is used in the Prelude Type-S and gives 220ps. The highest level of DOHC VTEC implementation is of course in the NSX. Implemented V6 DOHC VTEC, originally in 3.0l and now in a larger 3.2l form, it tops the 280ps "legal" limit imposed by the Japanese government for stock street cars. SOHC VTEC appears in more guises in the Honda line-up. The smallest SOHC VTEC engine is the D15B, used on Civic and Civic Ferio VTi/Vi models in Japan. The D16A 1590cc SOHC VTEC (power) engine giving 130ps is also used on the Civic Coupe and the Civic Ferio EXi (a 4WD model). SOHC VTEC also appears on the Accord models but not the Integra or Prelude line-up. In fact in markets which Honda considers not sufficiently advanced to warrant the DOHC VTEC engines (Malaysia being one of them), Honda markets SOHC VTEC as the top engine for their line-up. 2.8. Working In a car engine, fuel and air is let in through a set of valves - known as intake valves - and exhaust is let out through exhaust valves. The opening and closing of these valves is done by lobes on a camshaft, which push the valves open. Springs make the valves close again. The timing and speed of how fast these valves can open and close is controlled by the shape of the lobes on the camshaft. Different shapes of lobes are called different 'cam profiles'. This is mentioned in lift (how much a valve is opened) and duration (how long it is opened). It's a very clever way of letting air and fuel into the engine, and letting the exhaust gasses back out. The only problem is that both the air/fuel mixture 29
29. and the exhaust gasses behave quite differently at different engine speeds. As such, engine manufacturers have to make a compromise: An engine that runs very smoothly and quietly at low speeds loses top-end power on high revs, and an engine that has lots of power under high revs (such as race car engines) is nigh-on impossible to drive at slow engine speeds. When modifying a car engine, changing a camshaft to a more 'aggressive' cam profile can unleash a lot more power out of an engine, but – as mentioned – can make the car difficult to drive and control at low engine speeds. Fast road cars will often opt for a 'fast road' cam, which will be better than the standard cam profile at higher engine speeds, and sacrifices low-end smoothness. Engines used in F1 cars are an excellent example – they regularly have idle speeds of 5-8,000 rpm. Where does VTEC come in, then? Well, the ideal car would not use a camshaft at all – it would use electric motors to open and close the valves at exactly the right time. However, with the abuse that an internal combustion engine gets, that's not really an option. The next best thing is to have one cam-shaft for low revs, and one for high revs, and that's exactly what VTEC does. A VTEC camshaft 30
30. has two sets of lobes on the shaft. At a pre-determined set of circumstances (a certain rev range, if the engine is at the right temperature, if there is enough oil pressure etc), a locking pin is pushed into the camshaft by the oil which is let into the shaft by a solenoid, and from that point onwards, the high-rpm cam profile is used. VTEC makes an incredible difference in engine performance. In my 1995 Japanese import Honda Prelude 2.2 litre VTEC, the power curve rises evenly to about 120 hp @ 5,300 rpm. Then, over the next 300 rpm, the VTEC kicks in, and gives the car a 20 horsepower jump, before continuing to rise gradually to about 170 hp. In real-life terms, this means that you have good acceleration, but when the VTEC engages, you feel a significant (17%) increase in power, accompanied with the characteristic change in engine note – from an angry whine, the car goes to a throaty, wild roar. From the factory, the 2.2 litre H22a VTEC engine found in my car offered 197 horsepower. The 2.3 litre non-VTEC engine, which was also used in Honda Preludes, only had 165 horsepower. Who said there is no replacement for displacement? 2.9. Advantages & disadvantages VTEC sounds like a rather advanced system, but it is quite a simple idea. The true strength of the system, however, is that it is extremely reliable - In fact, Honda have never had any failings of the VTEC system within the warranty time of any vehicle. Combine this with the general reliability of Honda engineering, and you get some truly outstanding engines. Engines equipped with VTEC used to be significantly more expensive than non-VTEC engines, but the economy of scale involved means that the premium for VTEC vs non-vtec has lessened. The largest disadvantage of the VTEC system is that the power is only available in high revs. In fact, the power is often only available in rev ranges that most people rarely ever use - from 5,000 rpm and upwards. The argument is that Honda only added VTEC to be able to claim higher horsepower figures People who favour VTEC argue that it is better to have a car which behaves calmly and has a decent fuel consumption, and then has power on tap when it is needed, rather than to have to compromise on lack of power or better consumption. It cannot be denied, however, that at the pinnacle of VTEC development a 2.0 litre naturally aspirated VTEC engine – the F20C engine used in the Honda S2000 sports roadster – is the most powerful naturally 31
31. aspirated engine in the world, when considering engine size versus power: By revving to a mind-boggling 9,000 RPM, the engine delivers 247 horsepower in stock form straight from the factory, vastly surpassing the magical 100 horsepower per litre barrier. Finally, just watch the eyes of any petrol-head, as their eyes roll back into their head and their butt-cheeks clench, the very second the VTEC roar fills the cabin of a well-tuned Honda. To me, that's argument enough to never have a non-VTEC car again. The Future of VTEC . The most current update of VTEC came in September 2006, with the launch of the Advanced VTEC engine, which achieves high performance along with outstanding fuel economy and lower emissions. The new engine combines continuously variable valve lift and timing control with the continuously variable phase control of VTC (Variable Timing Control). Honda plans to release a production vehicle equipped with the new engine within three years. This new system permits optimum control over intake valve lift and phase in response to driving conditions, achieving improved charging efficiency for a significant increase in torque at all engine speeds. Under low to medium load levels, the valves are set for low lift and early closure to reduce pumping losses and improve fuel economy. In combination with optimised intake components, these advances in control technology result in world-class dynamic performance along with approximately 13% improvement in fuel economy. The new engine is also exceptionally clean, with exhaust emissions that meet both U.S. Environmental Protection Agency LEV2-ULEV regulations and Japanese Ministry of Land, Infrastructure and Transport requirements for Low- Emission Vehicles, with emission levels 75% lower than those required by the 2005 standards (based on Honda calculations). 2.10. Further developments From the two original VTEC systems, Honda started doing all sorts of other interesting things. The most notable is the VTEC-E system. The E stands for Economy, and instead of offering a kick of extra performance at higher revs, it essentially the same system to make extremely frugal engines at lower revs – the rev range where cars are mostly used around town – yet have 'normal' performance for motorway use. This is achieved by only opening one of the inlet valves fully, allowing for a better fuel-air mixture and 32
32. more complete burn of the fuel/air mixture, which again means that the engine can inject less fuel, and as such consume less The next stage up is a 3-stage VTEC system, which combines the regular VTEC system for performance with the VTEC-E system for frugality at low RPM. It's the best of all worlds, but the cost and complexity of building these engines is prohibitive, and cars with 3-stage VTEC are not currently marketed outside of Japan. From the VTEC-E came the i-VTEC system, the I standing for intelligent. Essentially, this system doesn't use two different cam profiles, but uses an adjustable cam gear, which means that the intake camshaft can advance steplessly. This only changes the timing, not the lift of the camshaft, but is a rather elegant solution nonetheless, and allows for performance and relatively low fuel consumption at the same time. There are also other i-VTEC systems out there, and it appears that i-VTEC is the working name at Honda for more advanced VTEC systems with limited roll-out, regardless of how the system differs from the original VTEC. 2.11. The Future of VTEC The most current update of VTEC came in September 2006, with the launch of the Advanced VTEC engine, which achieves high performance along with outstanding fuel economy and lower emissions. The new engine combines continuously variable valve lift and timing control with the continuously variable phase control of VTC (Variable Timing Control). Honda plans to release a production vehicle equipped with the new engine within three years. This new system permits optimum control over intake valve lift and phase in response to driving conditions, achieving improved charging efficiency for a significant increase in torque at all engine speeds. Under low to medium load levels, the valves are set for low lift and early closure to reduce pumping losses and improve fuel economy. In combination with optimised intake components, these advances in control technology result in world-class dynamic performance along with approximately 13% improvement in fuel economy. The new engine is also exceptionally clean, with exhaust emissions that meet both U.S. Environmental Protection Agency LEV2-ULEV regulations and Japanese Ministry of Land, Infrastructure and Transport requirements for Low- Emission Vehicles, with emission levels 75% lower than those required by the 2005 standards (based on Honda calculations). 2.12. Conclusion 33
33. In this permanent feature, we have examined the basic principle on which VTEC works as well as the various implementations of VTEC. In a follow-up feature, we will look at alternative variable valve timing mechanisms which are implemented by other manufacturers. VTEC is a technology invented and developed by Honda, for use in internal combustion engines. It can in theory be used in all engines that use camshafts, but has in practice only been used in cars, motorcycles, and 4x4 vehicles. VTEC stands for Variable Timing Electronic Control, and is short for Variable valve Timing and lift Electronic Control. It is a technology which allows cars to behave differently at different engine speeds, by actuating different cam lobes at different speeds. (it's all explained more clearly later in the article, don't worry ) Honda were the first to implement a VTEC technology into a production engine. The technology was invented by Honda's premier engine designer, Kenichi Nagahiro. Other manufacturers have followed suit - such as the VarioCam system from Porsche, VVT from Toyota, but arguably never managed to mimic the reliability and success of the VTEC system in use in Honda cars. Chương 4. Hệ thống phân phối khí MIVEC của hãng Mitsubishi. MIVEC (Mitsubishi Innovative Valve timing Electronic Control system) là tên viết tắt của công nghệ động cơ với xupáp nạp biến thiên được phá triển bởi hãng Mitsubishi. Cũng tương tự như các hệ thống với xupáp nạp biến 34
34. thiên được đề cập kỳ trước, hệ thống này cũng có khả năng thay đổi hành trình hoặc thời gian đóng mở các xupáp bằng cách sử dụng hai loại vấu cam khác nhau. Ở dải tốc độ thấp, vấu cam nhỏ dẫn động các xupáp, động cơ hoạt động ở trạng thái không tải ổn định, lượng khí thải giảm và mômen xoắn tăng lên ở tốc độ thấp. Khi vấu cam lớn được kích hoạt, tốc độ tăng lên, các xupáp được mở rộng hơn và thời gian mở xupáp tăng lên. Bởi vậy làm tăng lượng khí nạp trong buồng cháy, công suất và mômen xoắn tăng, dải tốc độ động cơ được mở rộng. Động cơ 4G92 đầu tiên của Mitsubishi sử dụng công nghệ MIVEC MIVEC được Mitsubishi giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1992 trên động cơ 4G92, dung tích 1597 cc, DOHC không tăng áp, 4 xilanh thẳng hàng, mỗi xilanh gồm hai xupáp nạp và hai xupáp xả. Thế hệ công nghệ này ra đời với tên gọi “Mitsubishi Innovative Valve timing and lift Electronic Control”. Chiếc xe đầu tiên sử dụng công nghệ này là chiếc hatchback Mitsubishi Mirage và chiếc sedan Mitsubishi Lancer. Trong khi một động cơ 4G92 thông thường sinh ra công suất 145 mã lực ở tốc độ 7000 vòng/phút thì một động cơ được trang bị công nghệ MIVEC có thể sinh ra tới 175 mã lực ở vòng tua 7500 vòng/phút. Một số các cải tiến về công nghệ khác cũng được ứng dụng khi công nghệ này được áp dụng rộng rãi vào năm 1994 trên xe Mitsubishi FTO. Mặc dù vậy các thiết kế mới nhằm nâng cao hiệu suất vẫn phải đảm bảo tính tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm khí thải ở dòng xe Mitsubishi. 35
35. Chiếc Mitsubishi Grandis sử dụng công nghệ MIVEC Hoạt động. Nhằm tối ưu hiệu suất động cơ ở giải tốc độ thấp và trung bình, mặt khác lại nâng cao công suất ở vòng tua cao, hệ thống MIVEC đạt được cả hai mục tiêu trên nhờ chủ động điều khiển cả thời điểm và khoảng thời gian đóng mở xupáp. Hệ thống MIVEC điều khiển hoán đổi các vấu cam có cùng chức năng. Một số các loại xe đua thể thao đã áp dụng biện pháp công nghệ này nhằm mục đích sinh ra nhiều công suất hơn. Việc chuyển đổi vấu cam được thực hiện một cách tự động nhờ các ECU của hệ thống MIVEC, dựa trên các tín hiệu đầu vào như tốc độ động cơ, số vòng quay trục khuỷu, nhiệt độ nước làm mát, độ mở bướm ga, ECU sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển để kích hoạt hoạt hoặc hủy chế độ MIVEC. Hai cam có hai biên dạng khác nhau được sử dụng ở hai chế độ khác nhau của động cơ: một cam có biên dạng nhỏ, dùng ở dải tốc độ thấp mà ta gọi tắt là cam tốc độ thấp và vấu cam còn lại có biên dạng lớn hơn, dùng ở dải tốc độ cao gọi tắt là cam tốc độ cao. Các vấu cam tốc độ thấp và các trục cò mổ, dẫn động các xupáp nạp, đặt đối xứng nhau qua cam tốc độ cao ở giữa. Mỗi xupáp nạp được dẫn động bởi một cam tốc độ thấp và trục cò mổ. Để chuyển sang cam tốc độ cao, một tay đòn chữ T được ép vào các khe ở đỉnh trục cò mổ của 36
36. cam tốc độ thấp. Điều này cho phép các cam tốc độ cao dịch chuyển cùng với cam tốc độ thấp. Lúc này các xupáp thay đổi hành trình khi được dẫn động bởi cam tốc độ cao. Ở dải tốc độ thấp, tay đòn chữ T trượt ra khỏi khe một cách tự do, cho phép các cam tốc độ thấp dẫn động các xupáp. Ở dải tốc độ cao, áp suất thủy lực đẩy piston thủy lực lên, bởi vậy tay đòn chữ T lại trượt vào các khe cò mổ để chuyển sang vận hành với các cam tốc độ cao. Nói chung, chế độ MIVEC được kích hoạt để chuyển sang vấu cam tốc độ cao khi tốc độ động cơ tăng và chuyển sang vấu cam tốc độ thấp khi tốc độ động cơ giảm. Ở dải tốc độ thấp, thời gian đóng mở các xu páp nạp và xả trùng nhau tăng để tăng sự ổn định ở chế độ không tải. Khi tăng tốc, thời điểm xupáp nạp đóng được làm chậm lại để giảm áp lực ngược đồng thời cải thiện hiệu suất khí nạp, giúp tăng công suất động cơ cũng như giảm hệ số ma sát. 37
37. Hệ thống MIVEC điều khiển bốn chế độ vận hành tối ưu của động cơ như sau: Trong hầu hết các điều kiện làm việc, để đảm bảo hiệu suất nhiên liệu cao nhất, thời gian đóng xupáp trùng nhau tăng lên để giảm tổn thất bơm. Thời điểm xupáp xả mở được làm chậm lại để tăng tỷ số nén, tăng tính kinh tế của nhiên liệu. Khi cần công suất cực đại (tốc độ và tải trọng cao), thời điểm đóng xupáp nạp được làm chậm lại để đồng nhất hóa không khí nạp với thể tích nạp là lớn nhất. Ở dải tốc độ thấp và tải nặng, MIVEC đảm bảo tối ưu mômen xoắn do thời điểm xupáp nạp đóng được làm sớm hơn để đảm bảo đủ lượng khí nạp. Cùng lúc đó, thời điểm xupáp xả mở được làm chậm lại để tăng tỷ số nén và cải thiện hiệu suất động cơ. Ở chế độ không tải, thời điểm xupáp xả và nạp trùng nhau được loại bỏ để ổn định quá trình cháy. Chúng ta đều đã rất quen thuộc với các thuật ngữ như VVTi trên xe của Toyota hay i-VTEC vủa Honda. Còn những người yêu xe BMW thì đã rất quen thuộc với Valvetronic. Dù khác nhau ở cái tên, nhưng đều là công nghệ thay đổi hành trình nâng của xu páp đề tối ưu quá trình nạp- thải của động cơ. Và hệ công nghệ VarioCam Plus của Porsche cũng không nhằm ngoài mục đích đó. Hiện Porsche chính thức vào thị trường Việt Nam cùng những mẫu xe mơ ước như Boxster hay Cayenne. Và chúng đều sử dụng công nghệ VarioCam Plus trong động cơ. Vậy VarioCam Plus là gì? Và chúng mang lại gì cho những chiếc Porsche? 38
38. Động cơ V6 của Porsche với cơ cấu VarioCam Plus VarioCam Plus là công nghệ điều khiển chủ động quá trình phối khí của động cơ. Công nghệ này kết hợp điều chỉnh cam nạp (VarioCam) bằng cách điều chỉnh hành trình nâng và cả đường nạp (Plus). Xuất hiện lần đầu tiên trên chiếc 911 Turbo, hệ thống này có tác dụng tối ưu công suất và khả năng vận hành, đồng thời giảm tiêu hao nhiên liệu, phát thải, cho chiếc xe vận hành êm ái và tinh tế hơn. Hệ thống xupap được điều chỉnh bằng cách thay đổi cơ cấu truyền động trên đường nạp bởi một cơ cấu điện-thủy lực. Với 2 bề mặt cam trên trục cam, động cơ luôn hoạt động với một chiều cao nâng thích hợp khi các bề mặt cam được chuyển đối liên tục. 39
39. VarioCam Plus giúp động cơ xe luôn hoạt động tối ưu ở các chế độ tải khác nhau Cụ thể, bộ phận truyền động được tạo bởi hai cơ cấu tương tác sẽ khóa một với sự trợ giúp của một cơ cấu cố định. Nó tạo ra một liên kết trực tiếp, đầu tiên, là giữa cơ cấu trong với cam nhỏ, và thứ hai, giữa cơ cấu ngoài và cam lớn. Một đơn vị thủy lực sẽ giúp dẫn động xupap. Hành trình nâng cam biến thiên Với mục tiêu thực tế, VarioCam Plus kết hợp hai trạng thái hoạt động của động cơ vào một. Khi động cơ chạy không tải, hành trình nâng được điều khiển bởi cam nhỏ và chỉ cho hành trình nâng 3,6 mm, và thời gian đóng mở xupap được tối ưu để gữa góc trùng điệp (là khoảng thời gian khi cả xupap nạp và thải đều mở) của động cơ nhỏ nhất. 40
40. Sử dụng 2 biên dạng cam để thay đổi hành trình nâng xupap Hành trình nâng cam thấp giúp giảm ma sát, và tăng thêm độ lưu động khí nạp nhờ có thời gian đóng mở ngắn, cùng với đó là giảm phát thải độc hại từ quá trình cháy trước bên trong buồng cháy. Điều đó giúp động cơ có thể giảm phát thải và tiêu hao nhiên liệu lên đến 10%, cùng với đó là cho động cơ hoạt động êm ơn, giảm hiện tượng rung thường thấy khi máy vẫn nổ mà xe đứng yên. Tại chế độ tải bộ phận, động cơ lại chạy ở chế độ luân hồi khí thải nội tại (Internal EGR) nhằm giảm tối đa hiệu ứng bất kỳ nào từ tay ga và theo đó, giảm tiêu hao nhiên liệu. Mặt cắt ngang của VarioCam Plus Để đạt mục tiêu vận hành, hành trình nâng cam được đổi sang chế độ có góc trùng điệp lớn hơn, sẽ có thời gian dài hơn cho khí xả thoát ra. Tại chế độ toàn tải, mô men xoắn và công suất cao được đảm bảo bởi chu kỳ nạp rất hiệu quả với tổn thất nạp được giảm tối đa. Lúc này, biên dạng cam lớn cho phép hành trình nâng cam lến đến 11mm và được điều chỉnh phù hợp với thời gian đóng mở của hành trình xupap. 41
41. VarioCam Plus còn giúp bạn có những bước chuẩn bị trước khi khởi hành, ví dụ, tăng đặc tính khởi động của động cơ khi máy lạnh và và giảm khí thải qua việc điều chỉnh phù hợp hệ thống VarioCam Plus khi động cơ nóng lên. Hiển nhiên Carrera 4S cũng được trang bị động cơ với VarioCam Plus Cả hai hệ thống VarioCam Plus và Motronic ME7.8 được thiết kế đặc biệt cho nhưng yêu cầu cụ thể và mang đến tiêu chuẩn hoạt động cao. Những yếu tố điều khiển VarioCam Plus như tốc độ động cơ, vị trí chân ga, nhiệt độ dầu và nước làm mát cũng như số được kết hợp chặt chẽ. Yêu cầu của lái xe đối với công suất và mô men được quyết định chỉ trong 1/1000 giây bởi phản ứng của VarioCam Plus. Honda Introduces its HYPER VTEC - a Directly Actuated Valve System for High-Output, Environment-Friendly 4-Stroke Engines - Tokyo, January 18, 1999 Honda Motor Co., Ltd. today announced the development of a new HYPER VTEC (Variable Valve Timing & Lift Electronic Control System) valve control system. Designed for 4-stroke motorcycle engines, this new system combines environment-friendliness and increased output at all engine speeds. HYPER VTEC is the latest refinement of Honda's unique VTEC hydraulic valve control technology. Designed to improve 4-stroke engines; airflow and combustion efficiency, this new system is characterized by the camshafts directly actuating the valves via a lifter. The system not only allows for variation of the number of valves active depending on engine speed, but also provides for optimum lift amount and actuation timing of each valve thanks to specially designed camshaft profiles. This system also provides the following advanced features; Increasing output at all engine speeds 6.6% improvement in fuel efficiency (from 34.7km/l to 37.0km/l at a constant 60km/h test on flat ground: Honda internal testing data) At low to medium engine speeds, one intake valve and one exhaust valve out of four valves in each cylinder remain inactive, leaving only two active valves per cylinder. This helps increase intake air speed and generate a swirl effect within the combustion chamber for increased power output. Reduced friction losses also contribute to improvement in fuel efficiency. At higher engine speeds, all four valves in each cylinder are activated to meet the increased gas flow 42
42. requirements of higher revs. This HYPER VTEC engine will first be used on the CB400 Super Four, a new sports bike to be released in the near future. HYPER VTEC Engine 43