Hệ thống Vanos và Valvetronic trên xe BMW

Chương 5 : HỆ THỐNG VANOS VÀ VALVETRONIC TRÊN XE BMW
5.1 Hệ thống VANOS (VAriable NOckenwellen Steuerung)
5.1.1 Lịch sử phát triển
Hệ thống VANOS trang bị trên động cơ BMW là công nghệ làm thay đổi thời
điểm mở xupap hoạt động dựa trên nguyên lý làm thay đổi vị trí tương đối của trục
cam với trục khuỷu động cơ. Hệ thống này có thể xoay tương đối trục cam 40 0 so với
góc quay trục khuỷu và điều chỉnh liên tục để tối ưu hóa vị trí trục cam cho tất cả các
điều kiện hoạt động của động cơ. Không giống như các hệ thống thay đổi thời điểm
mở xupap của các hãng khác VANOS có cấu tạo khác hẳn là sự kết hợp giữa việc điều
khiển bằng cơ khí và thủy lực và được quản lý bởi DME (hệ thống điều khiển động cơ
của xe).
Độ nâng xupap
1040

12

1240

Góc sớm tối đa

840

10
8

Góc mặc định-trễ

6
4

2
0

40

80 120 160 200 240 280 320 360 400 440 480 520 560 600 640 680 720
2280

2360

Xupap xả

Xupap hút

Góc quay
trục khuỷu

Hình 5.1 Dạng đồ thị cam
Single VANOS: được giới thiệu vào năm 1992 trên động cơ BMW M50.
Single VANOS điều chỉnh vị trí của trục cam nạp so với trục khuỷu dựa vào tốc độ
động cơ và vị trí bàn đạp ga. Ở tốc độ thấp xupap nạp được mở trễ lại để chế độ cầm
chừng ổn định. Khi tốc độ trung bình xupap nạp được mở sớm hơn để tăng góc trùng

GVHD : Th.S Lý Văn Trung

78


Hệ thống Vanos và Valvetronic trên xe BMW


điệp tạo hiệu ứng EGR tăng tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải ô nhiễm. Khi tốc độ
động cơ cao xupap nạp lại được mở trễ lại để công suất động cơ phát ra tối đa.
Double VANOS: được sử dụng đầu tiên trên động cơ S50B32 vào năm 1996
sau đó là động cơ 6 xylanh M52TU điều chỉnh vị trí của cả trục cam nạp và trục cam
xả so với trục khuỷu. Trục cam nạp có thể thay đổi 40 0 và trục cam xả có thể thay đổi
250. Sự kết hợp hài hòa của hai trục cam làm tối ưu hóa hệ thống. Double VANOS kéo
dài thời gian mở của xupap hơn 12 0 và tăng độ nâng xupap thêm 0,9mm nhưng hệ
thống yêu cầu áp suất thủy lực lớn để việc điều chỉnh nhanh và chính xác.
Ưu điểm VANOS:
• Tăng mômen xoắn ở tốc độ thấp và tốc độ trung bình mà không ảnh hưởng
nhiều tới phạm vi công suất động cơ
• Tăng tính tiết kiệm nhiên liệu do tối ưu hóa góc phối khí
• Giảm ô nhiễm khí thải do tối ưu hóa góc trùng điệp của xupap
• Chế độ cầm chừng ổn định
5.1.2 Cấu tạo các bộ phận
Hệ thống điện điều khiển: Modul điều khiển động cơ chịu trách nhiệm kích
hoạt các van solenoid VANOS dựa vào biểu đồ chương trình lưu trong DME thông
qua các tín hiệu đầu vào :
• Tốc độ động cơ
• Tải động cơ
• Nhiệt độ nước làm mát
• Vị trí trục cam
• Nhiệt dộ dầu
Tùy thuộc vào loại hệ thống VANOS mà sử dụng solenoid loại on/off hay điều
độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation)
Sớm
Trễ
Từ bơm
Hồi
Hình 5.2 Cấu tạo solenoid

GVHD : Th.S Lý Văn Trung

79


Hệ thống Vanos và Valvetronic trên xe BMW

Loại động
cơ

Loại
VANOS

GVHD : Th.S Lý Văn Trung

Điều chỉnh vô
cấp

Solenoid

80


Hệ thống Vanos và Valvetronic trên xe BMW

M50TU

Single

Không


1 solenoid on/off

M52

Single

Không

1 solenoid on/off

M52TU

Double

Có

2 solenoid pwm

M54

Double

Có

2 solenoid pwm

N52

Double


Có

2 solenoid pwm

S50

Single

Có

2 solenoid pwm

S50

Double

Có

4 solenoid pwm

S52

Single

Không

1 solenoid on/off

S54


Double

Có

4 solenoid pwm

M62TU

Single

Có

2 solenoid pwm

N62

Double

Có

4 solenoid pwm

S62

Double

Có

8 solenoid pwm + 1 pwm solenoid

điều áp

S85

Double

Có

4 solenoid pwm + 1 pwm solenoid
điều áp

N73

Double

Có

4 solenoid pwm

Hệ thống điều khiển thủy lực: gồm bơm dầu để tạo áp lực tác dụng lên pittông
van solenoid điều khiển trực tiếp dòng dầu tác động vào bộ chấp hành cơ khí của hệ
thống VANOS để từ đó thay đổi vị trí trục cam.
GVHD : Th.S Lý Văn Trung

81


Hệ thống Vanos và Valvetronic trên xe BMW

Hệ thống điều khiển cơ khí:


Đĩa xích trục cam

Bánh răng nghiêng của đĩa xích và trục then hoa

pittông

Hình 5.3 Các chi tiết hệ thống điều khiển cơ khí
Gồm đĩa xích được dẫn động bởi trục khuỷu động cơ. Đĩa xích không gắn cứng
với trục cam mà được liên kết với trục cam thông qua then hoa. Bánh răng nghiêng
trên đĩa xích ăn khớp trong với bánh răng nghiêng của trục then hoa. Trục cam lại

GVHD : Th.S Lý Văn Trung

82


Hệ thống Vanos và Valvetronic trên xe BMW

được liên kết với trục then hoa bằng bánh răng ăn khớp trong nhưng là răng thẳng.
Trục then hoa có thể di chuyển dọc trục dưới tác dụng của áp suất thủy lực để làm thay
đổi vị trí tương đối của trục cam với đĩa xích. Góc độ thay đổi phụ thuộc vào hướng
nghiêng ban đầu của trục then hoa và bánh răng đĩa xích. Bộ chấp hành cơ khí của tất
cả các hệ thống VANOS hoạt động dưới một nguyên lý giống nhau.
5.1.3 Nguyên lý hoạt động
Đĩa xích A được dẫn dộng bởi trục khuỷu giữa tâm có răng nghiêng ăn khớp
với trục B
Trục B được kết nối với pittông. Khi áp lực thủy lực tác dụng lên pittông sẽ làm
trục này di chuyển dọc trục.
Trục C là trục cam


A

B

C

Hình 5.4 Cấu tạo cơ cấu Vanos
Làm trễ thời điểm phối khí: Vanos được mặc định ở vị trí làm trễ thời điểm
phối khí, lúc này dòng dầu tác dụng trực tiếp lên mặt sau của pittông (mặt gần trục

A

cam) làm kéo trục này sang trái. Khi trục B di chuyển dọc trục sang trái sẽ làm thay
đổi góc phối khí theo hướng làm trễ thời điểm phối khí.

B

GVHD : Th.S Lý Văn Trung

C

83


Hệ thống Vanos và Valvetronic trên xe BMW

Hình 5.5 Làm trễ thời điểm phối khí
Làm sớm thời điểm phối khí : khi dòng dầu tác dụng trực tiếp lên mặt trước
của pittông làm trục B kéo sang phải. Khi trục B di chuyển dọc trục sang phải sẽ làm

thay đổi góc phối khí theo hướng làm sớm thời điểm phối khí.

A

B

C

Hình 5.6 Làm sớm thời điểm phối khí
Giữ nguyên thời điểm phối khí: khi đã đạt được thời điểm phối khí tối ưu,
DME giữ nguyên tỉ lệ hiệu dụng của xung điều khiển để duy trì vị trí trục cam hợp lý.
Giá trị của độ rộng xung (thời gian on, duty cycle) do DME gửi tới solenoid sẽ
điều khiển áp lực dầu tác dụng lên pittông để làm trễ, sớm hay giữ nguyên thời điểm
phối khí.

GVHD : Th.S Lý Văn Trung

84


Hệ thống Vanos và Valvetronic trên xe BMW

5.2 Hệ thống VALVETRONIC
5.2.1 Lịch sử phát triển
Hệ thống Vanos mới chỉ thay đổi được thời điểm phối khí mà chưa tác động sâu
được vào độ nâng xupap. Do đó BMW tiếp tục phát minh ra hệ thống Valvetronic và
xuất hiện lần đầu trên mẫu xe BMW 316ti 4 xylanh nhỏ gọn vào tháng 6 năm 2001 và
hiện nay được sử dụng rộng rãi trên các mẫu BMW 3-series. Động cơ ứng dụng công
nghệ Valvetronic được trang bị hệ thống máy tính quản lý có bộ xử lý 40-megahertz,
32-bit trên xe và là động cơ đầu tiên trên thế giới không cần sử dụng bướm ga

Mô tơ điện
Trục vít bánh vít
Đòn dẫn

Trục cam

Đòn gánh

Xupap

Hình 5.7 Sơ đồ bố trí các chi tiết hệ thống Valvetronic
Valvetronic là hệ thống tự động điều chỉnh hoà khí của động cơ thông qua cơ
cấu phun xăng đa điểm và độ mở xupap biến thiên. Sự khác biệt giữa Valvetronic và
các công nghệ phun xăng đa điểm khác là Valvetronic không sử dụng bướm ga cơ khí
để điều khiển lượng hoà khí cho động cơ mà dùng chính cơ cấu xupap có độ mở biến
GVHD : Th.S Lý Văn Trung

85


Hệ thống Vanos và Valvetronic trên xe BMW

thiên làm nhiệm vụ đó. Hệ thống phun xăng thông thường dùng bướm ga để điều
chỉnh lượng gió (hoặc hoà khí, tùy theo phun trực tiếp hay gián tiếp). Tuy nhiên khi tải
nhẹ (khi xe đang chạy chậm hay trong trường hợp xe xuống dốc), bướm ga đóng một
phần hay gần như đóng kín, lúc này các pittông vẫn chuyển động đi xuống thực hiện
quá trình nạp. Điều này tăng thêm một độ chân không cục bộ giữa cánh bướm ga và
buồng cháy của động cơ gây cản trở hoạt động đi xuống của pittông làm tổn thất quá
trình nạp của động cơ tăng lên và cuối cùng làm giảm công suất của động cơ. Động cơ
chạy càng chậm, bướm ga đóng càng kín, tổn thất năng lượng sẽ càng tăng thêm.

Với công nghệ Valvetronic tổn hao này đã được giảm thiểu tới mức thấp nhất,
do pittông dịch chuyển tự do không còn bị tác động từ hiệu ứng chân không. Trong hệ
thống Valvetronic vẫn có trục cam xupap truyền thống, nhưng song song với trục cam
xupap hút còn có một trục lệch tâm, nhiều đòn dẫn và bánh răng trung gian được kết
nối với một mô tơ điện tốc độ chậm.
Khi người lái nhấn hoặc buông chân ga, động tác này được chuyển sang tín
hiệu điện. Tín hiệu điện được máy tính gửi ngay đến mô tơ, tuỳ theo việc tăng hay
giảm tốc mà mô tơ sẽ dịch chuyển để thay đổi độ mở của xupap. Khi ga thấp mô tơ sẽ
tác động tới xupap qua cơ cấu tay đòn và bánh răng để độ mở xupap nhỏ, lượng hoà
khí vào trong xylanh ít. Ngược lại, khi ga cao mô tơ sẽ điều khiển độ mở xupap lớn để
lượng hoà khí vào xylanh nhiều hơn
Do lượng hòa khí vào buồng đốt động cơ luôn được điều chỉnh tùy theo yêu cầu
về công suất và mômen xoắn nên Valvetronic có khả năng tiết kiệm nhiên liệu 10% so
với các động cơ có cùng dung tích xylanh (5,3l/100km). Đối với các ô tô thường
xuyên hoạt động trong thành phố lượng tiết kiệm có thể còn cao hơn, động cơ êm và
phản ứng nhanh hơn khi tăng/giảm tốc, giảm lượng khí thải độc hại do hòa khí được
đốt cháy triệt để (140 gram CO2/km). Thông thường BMW thường kết hợp cả công
nghệ xoay trục cam Vanos và Valvetronic trên cùng một loại động cơ.
Valvetronic đặc biệt hiệu quả với các động cơ có vòng tua thấp nhưng không
phát huy được tác dụng khi số vòng tua cao hơn 6000 vòng/phút, do ở tốc độ cao cần
phải có lò xo xupap cứng hơn, đảm bảo tính đàn hồi tốt. Nhưng lò xo cứng lại gây tổn
hao năng lượng như ma sát sẽ lớn hơn, chính vì vậy các mẫu xe có tính năng vận hành
cao như BMW M-series không cần Valvetronic.

GVHD : Th.S Lý Văn Trung

86


Hệ thống Vanos và Valvetronic trên xe BMW


5.2.2 Cấu tạo các bộ phận
Lò xo đòn dẫn

Trục vít-bánh vít

Trục cam

Trục lệch tâm

Đòn dẫn

Xupap

Hình 5.8 Cấu tạo của hệ thống Valvetronic
Trục cam: có cấu tạo như một trục cam của động cơ thông thường nhưng các
vấu cam không tác dụng trực tiếp lên cò mổ mà thông qua cơ cấu thay đổi độ nâng
xupap.
Cơ cấu thay đổi độ nâng xupap: gồm trục lệch tâm, các đòn dẫn và lò xo. Khi
mô tơ quay sẽ làm trục lệch tâm quay theo, do được chế tạo lệch tâm nên khi quay nó
sẽ làm thay đổi điểm tựa của các đòn gánh do đó làm thay đổi sự tác dụng của trục
cam làm thay đổi độ nâng xupap. Lò xo đảm bảo cho đòn dẫn luôn tiếp xúc với cam.
Mô tơ điện: là loại mô tơ điện một chiều có tác dụng xoay trục lệch tâm, được
truyền động qua trục lêch tâm thông qua bộ truyền giảm tốc trục vít bánh vít. Trục vít
lắp trên mô tơ và bánh vít gắn trên trục lệch tâm.

GVHD : Th.S Lý Văn Trung

87



Hệ thống Vanos và Valvetronic trên xe BMW

5.2.3 Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động của Valvetronic dựa trên sự thay đổi vị trí của dòn dẫn
hướng để sự tác dụng của vấu cam lên đòn gánh thay đổi làm độ nâng xupap biến
thiên.
Xupap đóng hoàn toàn: mô tơ điện quay trục lệch tâm ở vị trí đóng hoàn toàn,
tuy lúc này vấu cam vẫn tác dụng lên đòn dẫn nhưng ở vị trí này đòn dẫn không tác
dụng được lên đòn gánh nên kết quả đòn gánh không tác dụng được vào đuôi xupap
làm xupap đóng hoàn toàn.
Có thể ứng dụng vị trí xupap đóng hoàn toàn trong hệ thống xylanh biến thiên
(ngắt một số xylanh khi không cần thiết như ở động cơ V6 thực hiện việc điều khiển
chế độ hoạt động 3 hoặc 6 xylanh). Khi ở chế độ tải nhẹ và không cần công suất và
mômen lớn hệ thống sẽ ngừng hoạt động các xupap hút của dãy động cơ phía trước.
Khi đó mức tiêu thụ nhiên liệu sẽ giảm đi.

Vị trí trục
lệch tâm

Hình 5.9 Xupap đóng hoàn toàn

GVHD : Th.S Lý Văn Trung

88


Hệ thống Vanos và Valvetronic trên xe BMW

Khi tốc độ động cơ thấp, tải nhẹ và trung bình: tín hiệu từ các cảm biến như

tốc độ động cơ, tải,nhiệt độ nước làm mát, vị trí bàn đạp ga gửi về hệ thống điều khiển
sau đó hệ thống tính toán và điều khiển mô tơ điện quay làm trục lệch tâm quay theo
lúc này vấu cam tác dụng vào đòn dẫn → đòn gánh → xupap làm xupap mở với hành
trình nhỏ → tiết diện lưu thông nhỏ → hòa khí vào xylanh ít → công suất động cơ nhỏ.
Khi tốc độ động cơ cao hay tải nặng: mô tơ quay trục lệch tâm ở vị trí mở
lớn nhất do đó độ nâng xupap là lớn nhất làm cho tiết diện lưu thông qua các xupap
lớn nhất nên hòa khí nạp vào xylanh nhiều hơn, thời gian nạp dài hơn kết quả công
suất và mômen động cơ tăng đáp ứng kịp thời các chế độ hoạt động của động cơ.

Vị trí trục lệch tâm

Khi tốc độ động cơ thấp

Vị trí trục lệch tâm

Khi tốc độ động cơ cao

Hình 5.10 Hoạt động ở tốc độ thấp và tốc độ cao
Độ nâng xupap có thể thay đổi từ 0 đến 9,7 mm tùy theo chế độ hoạt động của
động cơ.
Khả năng đáp ứng của cơ cấu nhanh và chính xác.

GVHD : Th.S Lý Văn Trung

89


Hệ thống Vanos và Valvetronic trên xe BMW

5.3 Đồ thị công suất và mômen động cơ

N (KW)

M ( Nm)

85 KW ở 5500 vòng/phút
240

80

200

175 Nm ở 3750 vòng/phút

60

160

120

40

80
20
40

vg
0

1000


2000

3000

4000

5000

6000

7000

Hình 5.11 Đồ thị công suất và mômen động cơ sử dụng Valvetronic 1.8lit

GVHD : Th.S Lý Văn Trung

90

ph