Hiệu suất động cơ — bao gồm công suất, mô-men xoắn, tiết kiệm nhiên liệu và khí thải — phụ thuộc vào hàng chục yếu tố được hiệu chỉnh chính xác. Một trong những yếu tố quan trọng nhất nhưng thường bị bỏ qua là thời điểm phân phối khí: khoảnh khắc chính xác khi các xu-páp nạp và xả mở và đóng trong mỗi chu kỳ động cơ. Các hệ thống phân phối khí biến thiên (VVT) được phát triển để tối ưu hóa thời điểm này trong mọi điều kiện lái xe, và chúng đã làm thay đổi cách thức hoạt động của động cơ hiện đại.
Cách Xu-Páp Được Điều Khiển Trong Động Cơ Truyền Thống
Trong động cơ đốt trong bốn kỳ thông thường, các xu-páp nạp và xả được dẫn động bởi vấu cam trên trục cam. Hình dạng của các vấu cam này xác định ba đặc tính chính:
- Thời điểm — khi xu-páp mở và đóng so với vị trí của piston
- Thời gian mở — xu-páp mở trong bao lâu (độ rộng của pha)
- Độ nâng — xu-páp di chuyển xa bao nhiêu so với đế của nó
Trong hầu hết các động cơ truyền thống, các pha này là cố định — biên dạng trục cam không bao giờ thay đổi, bất kể bạn đang chạy không tải trong kẹt xe hay tăng tốc trên cao tốc. Sự cứng nhắc này là một hạn chế cơ bản.
Tại Sao Phân Phối Khí Cố Định Là Một Vấn Đề
Hành vi của khí bên trong xi-lanh, đường nạp và đường xả thay đổi đáng kể tùy thuộc vào tốc độ và tải trọng của động cơ. Vận tốc dòng chảy liên tục thay đổi, và các sóng áp suất trong đường nạp và xả có thể giúp ích hoặc gây hại cho việc nạp đầy xi-lanh tùy thuộc vào thời điểm. Vì vậy, một thiết lập phân phối khí cố định duy nhất không thể tối ưu trong mọi điều kiện vận hành.
Đây là cách thời điểm phân phối khí lý tưởng khác nhau giữa hai tình huống phổ biến:
- Ở chế độ không tải: Các pha phân phối khí hẹp hoạt động tốt nhất — mở muộn và đóng sớm, với độ trùng lặp xu-páp tối thiểu hoặc bằng không (khoảng thời gian ngắn khi cả xu-páp nạp và xả đều mở đồng thời). Điều này ngăn khí thải bị đẩy ngược vào đường nạp hoặc hỗn hợp chưa cháy thoát ra ngoài đường xả.
- Ở công suất tối đa: Cần các pha rộng — xu-páp cần mở sớm hơn và mở lâu hơn để cho phép lượng hỗn hợp nhiên liệu-không khí tối đa vào xi-lanh. Pha trùng lặp rộng hơn cũng giúp quét sạch khí thải hiệu quả hơn ở vòng tua máy cao.
Do đó, các nhà thiết kế động cơ buộc phải đưa ra những sự đánh đổi khó khăn. Một biên dạng trục cam cố định duy nhất phải đồng thời đáp ứng:
- Mô-men xoắn mạnh ở dải vòng tua thấp và trung bình
- Công suất chấp nhận được ở dải vòng tua cao
- Chạy không tải êm ái, ổn định
- Tiết kiệm nhiên liệu tốt và ít khí thải
Đáp ứng tất cả các yêu cầu này bằng một biên dạng cam tĩnh duy nhất gần như là không thể — đó chính xác là lý do tại sao phân phối khí biến thiên được phát minh.
Phân Phối Khí Biến Thiên Làm Gì
Các hệ thống phân phối khí biến thiên cho phép cơ cấu xu-páp của động cơ thích ứng theo thời gian thực với các điều kiện lái xe thay đổi. Bằng cách điều chỉnh thời điểm pha, thời gian mở và độ nâng, các kỹ sư có thể định hình lại đáng kể đường đặc tính công suất của động cơ mà không có sự đánh đổi cơ học. Các lợi ích tiềm năng bao gồm:
- Tăng mô-men xoắn trên dải vòng tua rộng hơn
- Công suất đỉnh cao hơn
- Cải thiện tiết kiệm nhiên liệu
- Giảm khí thải
- Chạy không tải êm ái hơn và phản hồi bàn đạp ga tốt hơn
Các Loại Hệ Thống Phân Phối Khí Biến Thiên
Bộ Điều Chỉnh Pha (Cam Phasers)
Phương pháp VVT phổ biến nhất sử dụng bộ điều chỉnh pha — một bộ ly hợp thủy lực xoay trục cam so với trục khuỷu. Khi tốc độ động cơ tăng, hệ thống tiến pha trục cam nạp, khiến xu-páp nạp mở sớm hơn. Điều này cải thiện việc nạp đầy xi-lanh ở vòng tua cao. Hầu hết các cách thực hiện chỉ hoạt động trên trục cam nạp, mặc dù các hệ thống hai trục cam (như BMW Double VANOS) điều chỉnh độc lập cả thời điểm nạp và xả.
Hệ Thống Biến Thiên Độ Rộng Pha
Các hệ thống tiên tiến hơn không chỉ đơn giản là dịch chuyển pha — chúng còn có thể mở rộng hoặc thu hẹp pha. Một ví dụ nổi tiếng là hệ thống VVTL-i của Toyota, sử dụng hai biên dạng cam trên cùng một trục:
- Dưới 6.000 vòng/phút, vấu cam tiêu chuẩn điều khiển chuyển động xu-páp
- Trên 6.000 vòng/phút, một cam thứ cấp với biên dạng tích cực hơn tiếp quản, mở rộng pha thời điểm và tăng độ nâng xu-páp
- Khi động cơ tiếp cận vòng tua giới hạn 8.500 vòng/phút, sự chuyển tiếp này mang lại một làn sóng công suất đặc trưng — một “luồng gió thứ hai” đáng chú ý trong quá trình tăng tốc mạnh
Hệ Thống Biến Thiên Độ Nâng Xu-Páp
Thay đổi thời điểm xu-páp mở là một chuyện — thay đổi xu-páp mở bao xa lại là chuyện khác. Các hệ thống biến thiên độ nâng, như BMW Valvetronic hoặc Nissan VVEL, cho phép điều chỉnh liên tục độ nâng xu-páp nạp dựa trên vị trí bàn đạp ga.
Cách tiếp cận này mang lại một lợi thế đáng kể: nó có thể loại bỏ nhu cầu về bướm ga thông thường. Đây là lý do tại sao điều này quan trọng:
- Bướm ga truyền thống tạo ra chân không một phần trong đường nạp ở tải thấp, làm tăng tổn thất bơm
- Chân không này làm chậm dòng khí, ảnh hưởng đến chất lượng nạp đầy xi-lanh và làm giảm phản hồi bàn đạp ga
- Bằng cách kiểm soát tải động cơ thông qua độ nâng xu-páp, đường nạp có thể gần như không bị hạn chế
Kết quả là đáng kể. Các hệ thống biến thiên độ nâng không có bướm ga thường mang lại:
- Cải thiện 8–15% về tiết kiệm nhiên liệu
- Tăng 5–15% cả công suất đỉnh và mô-men xoắn
- Phản hồi bàn đạp ga nhanh nhạy hơn đáng kể, đặc biệt ở tốc độ thấp
Dẫn Động Xu-Páp Điện Từ
Khái niệm tiên tiến nhất trong điều khiển xu-páp thay thế hoàn toàn các trục cam cơ học bằng xu-páp dẫn động điện từ. Mỗi xu-páp được mở và đóng độc lập bởi các solenoid điện tử, cung cấp cho hệ thống điều khiển động cơ hoàn toàn tự do về thời điểm, độ nâng và thời gian mở cho từng xu-páp riêng lẻ trong từng chu kỳ.
Những khả năng mà điều này mở ra thật đáng kinh ngạc:
- Thời điểm phân phối khí được tối ưu hóa hoàn hảo cho mọi điều kiện vòng tua và tải trọng
- Ngắt xi-lanh riêng lẻ khi chạy với tải nhẹ để tiết kiệm nhiên liệu
- Chuyển đổi động giữa các chu kỳ đốt — ví dụ, chuyển đổi động cơ bốn kỳ thành cấu hình sáu kỳ ngay lập tức
- Loại bỏ hoàn toàn trục cam và các tổn thất cơ học liên quan
Các cơ cấu xu-páp điện từ vẫn phần lớn đang trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển, nhưng tiềm năng của chúng trong việc tái định nghĩa hiệu quả đốt trong là đáng kể. Liệu chúng có đạt được sản xuất đại trà trong tương lai gần hay không vẫn còn phải chờ xem.
Kết Luận
Phân phối khí biến thiên là một trong những công nghệ có tác động lớn nhất trong quá trình phát triển động cơ hiện đại. Bằng cách thích ứng hành vi xu-páp phù hợp với mọi điều kiện lái xe — từ chạy không tải trong thành phố đến tăng tốc tối đa — các hệ thống VVT cho phép các kỹ sư tạo ra những động cơ vừa mạnh mẽ hơn, vừa tiết kiệm nhiên liệu hơn và vừa sạch hơn so với bất kỳ thiết kế phân phối khí cố định nào.
Tuy nhiên, việc tối ưu hóa phân phối khí có giới hạn của nó. Việc tiếp tục khai thác thêm công suất, mô-men xoắn và hiệu suất từ một dung tích xi-lanh nhất định sẽ ngày càng phụ thuộc vào các công nghệ khác — hệ thống tăng áp kết hợp, động cơ có tỷ số nén biến thiên và nhiên liệu thay thế. Nhưng đó là câu chuyện cho một bài viết khác.
Đây là bản dịch. Bạn có thể đọc bản gốc tại đây: https://www.drive.ru/technic/4efb330700f11713001e33f9.html
Đã xuất bản Tháng Một 13, 2022 • 6 phút để đọc
