1. Giới Thiệu Về Công Nghệ Và Khả Năng Tối Ưu Của i-VTEC

 

Honda Civic thế hệ thứ 8 sử dụng động cơ I-VTEC

 

* Lịch sử ra đời hệ thống VTEC
Vào những năm đầu thập niên 1980, thị trường môtô bắt đầu đặt ra yêu cầu về một động cơ môtô thể thao công suất lớn. Honda đã cố gắng nghiên cứu một loại động cơ có thể vừa tạo ra công suất lớn, vừa có khả năng dẫn động trong toàn bộ dải vòng tua. Với mục tiêu này, nhóm kỹ sư của Honda đã cố gắng tập trung phát triển một loại động cơ công suất 200 mã lực/1 lít và có độ nghỉ ổn định. Trong quá trình nghiên cứu, họ phát hiện ra rằng, để chế tạo được một động cơ như vậy, họ phải tìm ra một phương pháp để chống lại việc ngăn cản dòng không khí đi vào từ các vòng tua thấp đến các vòng tua trung bình.

Và vấn đề đó đã được giải quyết nhờ Hệ thống dừng van REV (Revolution-modulated valve control). Hệ thống này sẽ cưỡng chế các van dừng lại, nếu cần, để tối ưu hóa dòng không khí, đạt được độ nghỉ ổn định, giúp động cơ hoạt động êm dù ở vận tốc thấp hay vận tốc trung bình. Chiếc môtô đầu tiên được trang bị hệ thống REV này là chiếc CBR400F sản xuất năm 1983.
Từ hệ thống REV được sử dụng cho động cơ của môtô, Honda tiếp tục phát triển hệ thống VTEC dành cho ôtô. Hệ thống VTEC gồm một thiết bị điều khiển thời gian mở van và hai chế độ trục cam: một cam được thiết kế để động cơ hoạt động tốt ở vòng tua thấp còn một cam khác đảm nhiệm vai trò ở vòng tua cao. Chiếc ôtô đầu tiên của Honda được trang bị hệ thống VTEC là chiếc JDM-spec Integra sản xuất năm 1989 và chiếc Civic CRX SiR sử dụng động cơ B16A DOHC 160 mã lực. Năm 1991, hệ thống này đã đi vào thị trường Mỹ khi nó được thiết kế cho siêu xe thể thao Acura NSX sử dụng cụm động cơ DOHC VTEC V6 công suất 270 mã lực tại 7.100 vòng/phút.

i-VTEC (chữ i lấy từ từ Intelligent) là công nghệ điều van biến thiên liên tục trên van nạp ở các động cơ của Honda. Công nghệ này xuất hiện lần đầu tiên năm 2001 trên mẫu K-series sử dụng 4 xi-lanh thẳng hàng. Khoảng mở và khoảng thời gian mở vẫn được điều chỉnh theo hai chế độ vòng tua thấp và vòng tua cao như trên VTEC. Tuy nhiên, ở i-VTEC, trục cam điều khiển van nạp có thể thay đổi một góc trong khoảng từ 25 đến 50 độ (tùy thuộc vào cấu trúc động cơ) khi đang vận hành. Các trạng thái của trục cam được máy tính điều khiển dựa trên các dữ liệu về tải trọng xe và vòng tua máy. Tác dụng của i-VTEC là nâng mô-men xoắn của động cơ, đặc biệt khi ở tốc độ vòng tua trung bình. Trên mẫu Civic bán tại Việt Nam, Honda trang bị i-VTEC ở cả động cơ I4 trục cam kép DOHCvà I4 trục cam đơn SOHC.

Năm 2004, Honda giới thiệu công nghệ i-VTEC trên động cơ V6. Tuy nhiên, không giống như ở động cơ I4, i-VTEC áp dụng trên động cơ V6 có khả năng ngắt một nửa số xi-lanh khi xe có tải trọng nhẹ và vận tốc thấp nhằm giảm mức tiêu hao nhiên liệu. Công nghệ i-VTEC V6 được Honda tích hợp trên các mẫu Honda Odyssey và hiện tại có thể thấy công nghệ này trên Honda Accord Hybrid và Honda Pilot 2006.

Một phiên bản i-VTEC khác được Honda giới thiệu trên Civic R-series 2006 lắp động cơ 4 xi-lanh thẳng hàng. Khi ở vận tốc thấp, tải trọng nhẹ, i-VTEC điều khiển van nạp sao cho có khoảng mở nhỏ và mở hết bướm ga nhằm giảm mức tiêu hao nhiên liệu bằng cách giảm mất mát năng lượng ở bơm.
ệ thống điều khiển van biến thiên VTEC của Honda là một trong những công nghệ tiên tiến nhằm tối ưu hóa hiệu quả của động cơ. VTEC sẽ điều khiển các thông số của van nạp, xả hoặc cả hai sao cho hòa khí đi vào buồng đốt hay khí xả đi ra một cách thích hợp nhất.

VTEC là thuật ngữ viết tắt từ cụm từ "Variable valve Timing and lift Electronic Control". Hệ thống này được phát triển nhằm cải thiện hiệu quả của các động cơ đốt trong tại các dải vòng tua động cơ khác nhau. VTEC của Honda là một trong nhiều công nghệ điều van biến thiên trên thế giới như VVT-i của Toyota hay VarioCam plus của Porsche. VTEC được kỹ sư thiết kế động cơ của Honda, Kenichis Nagahiro sáng tạo nên.

Hệ thống i-VTEC trên động cơ Honda

Trong các động cơ đốt trong 4 kỳ thông thường, các van nạp và van xả được điều khiển thông qua các con đội trên trục cam. Hình dáng của các con đội sẽ xác định thời điểm (timing), độ nâng (lift) và khoảng thời gian mở (duration) của từng van. Thuật ngữ timing dùng để chỉ khi nào van được mở/đóng so với chu trình của piston Từ lift dùng để chỉ van được mở ở mức độ như thế nào và duration thể hiện van ở trạng thái mở trong thời gian bao lâu.

Do tính chất của hòa khí và sau khi cháy mà 3 thông số thời điểm, độ nâng và thời gian mở của các van ở vòng tua thấp và vòng tua cao rất khác nhau. Thông thường, khi thiết kế động cơ, các kỹ sư phải lưu ý tới điều kiện làm việc của từng xe và xác định chúng cần công suất và mô-men xoắn cực đại ở vòng tua nào. Nếu đặt điều kiện hoạt động tối ưu của các van ở vòng tua thấp thì quá trình đốt nhiên liệu lại không hiệu quả khi động cơ ở trạng thái vòng tua cao, khiến công suất chung của động cơ bị giới hạn. Ngược lại, nếu đặt điều kiện tối ưu ở số vòng tua cao thì động cơ lại hoạt động không tốt ở vòng tua thấp.

Từ những hạn chế đó, một ý tưởng được các kỹ sư đưa ra là tìm cách tác động để thời điểm mở van, độ mở và khoảng thời gian mở biến thiên theo từng vòng tua khác nhau sao cho chúng mở đúng lúc, khoảng mở và thời gian mở đủ để lấy đầy hòa khí vào buồng đốt. Trên thực tế, điều chỉnh một cách hoàn toàn cả 3 thông số của van là điều rất khó.

Để làm điều này, có thời kỳ người ta sử dụng một cuộn cảm để điều chỉnh van thay vì sử dụng cam. Tuy nhiên, kỹ thuật trên không được sản xuất do quá phức tạp và rất đắt. Cách tiếp cận ngược lại là điều chỉnh van sao cho động cơ hoạt động tốt ở vòng tua cao. Điều này có nghĩa xe sẽ hoạt động rất yếu ở khi tốc độ vòng tua thấp (trạng thái mà hầu hết các xe luôn có) và hoạt động tốt ở vòng tua cao.

VTEC trên động cơ trục cam kép DOHC

Hệ thống VTEC của Honda là phương pháp khá đơn giản nhằm đảm bảo động cơ hoạt động hiệu quả ở dải vòng tua rộng, thông qua trục cam kép đa trạng thái đã được tối ưu hóa. Thay vì mỗi con đội phục trách một van, sẽ có 2 con đội điều khiển. Một con đội được thiết kế để động cơ hoạt động tốt ở vòng tua thấp còn một con khác đảm nhiệm vai trò ở vòng tua cao.

Sự thay đổi trạng thái giữ hai con đội này được điều khiển bằng máy tính sau khi thu thập các thông số như áp suất dầu động cơ, nhiệt độ máy, vận tốc xe và vòng tua động cơ. Khi vòng tua động cơ tăng, máy tính sẽ kích hoạt con đội thiết kế cho vòng tua cao hoạt động. Từ lúc này, van sẽ được đóng mở theo chế độ vòng tua cao như khoảng mở rộng hơn, thời gian mở dài hơn nhằm cung cấp đủ hòa khí cho buồng đốt. Hệ thống VTEC trên động cơ trục cam kép sẽ điều khiển cả van xả và van nạp.

VTEC trên động cơ có trục cam kép (DOHC) được giới thiệu vào năm 1989 trên chiếc Honda Integra bán ở Nhật. Nó có công suất 160 mã lực. Khách hàng Mỹ làm quen với VTEC từ 1991 trên Acura NSX, sử dụng động cơ DOHC VTEC V6.

VTEC trên động cơ trục cam đơn SOHC

Để tăng sự phổ biến và giá trị của VTEC, Honda tích hợp hệ thống này trên động cơ trục cam đơn SOHC. Trên động cơ trục cam đơn, người ta chỉ sử dụng một trục cam để điều chỉnh cả van nạp lẫn van xả. Trên thực tế, động cơ sử dụng SOHC chỉ hiệu quả khi hệ thống VTEC áp dụng trên van nạp. Lý do là ở động cơ SOHC, bu-gi đặt nghiêng với trục cam và nó nằm giữa hai van xả nên việc ứng dụng VTEC ở van xả là không thể.

2. Cấu tạo và hoạt động của hê thống VTEC trên xe Honda

2.1. Cấu tạo hệ thống:
1 : Trục cam ; 2 : Tấm định vị ; 3 :cò mổ thứ cấp ; 4 :Cò mổ thứ hai ;
5 : Piston đồng bộ ; 6 :Piston tác động ; 7 :Xupap hút.
Động cơ bố trí 4supap cho mỗi xylanh, bao gồm 2 supap nạp và 2 xupap thải. Điều khác biệt của kiểu này so với kiểu SOHC VTEC là chỉ bố trí hai vấu cam nạp có biên độ mở khác nhau, một cam có biên độ mở lớn và một cam có biên độ mở nhỏ. Các piston lắp đat bên trong cò mổ sẽ đẩy piston đồng bộ di chuyển cùng hướng để ép piston chặn và lò xo hoàn lực lại tạo sự liên kết hai cò mổ lại với nhau. Khi mất áp lực dầu, dưới sự hoàn lực của lò xo thông qua piston chặn sẽ được piston đồng bộ trở về làm tách 2 cò mổ mở riêng rẽ.
Ở tốc độ thấp, hai cò mổ được tách rời, vì thế supap hút thứ nhất điều khiển sự phân phối chính trong khi đó supap hut thứ hai chỉ hé mở để ngăn chặn nhiên liệu tích luỹ ở cửa nạp. Ở tốc độ cao, hai cò mổ được liên kết thành một khối nhờ vào piston đồng bộ. Vì vậy tốc độ này cả hai supap đều chịu sư tác động của vấu
cam có biên độ mở lớn nhất.
b./.Quá trình hoạt động:
Kỹ thuật thay đổi thời gian phân phối khí và mức độ nâng supap được sử dụng cho động cơ nhằm mục đích tiêu thụ nhiên liệu thấp nhất nhưng công suất phát ra van cao. Với hệ thống này, đặc điểm nổi bật là với một tỷ lệ hoà khí tiết kiệm nhưng vẫn tạo ra một momen lớn ở tốc độ thấp, đồng thời ở tốc độ cao công suất phát ra lớn tương đương như động cơ bốn supap tiêu chuẩn đạt được.
* Ở tốc độ thấp:
Cò mổ thứ nhất và cò mổ thứ hai được tách rời, do vấu cam A và B điều khiển riêng biệt hai supap, khả năng nâng của cò mổ thứ hai rất nhỏ để hé mở supap(một supap điều khiển sự phân phối khí chính).
1:Piston tác động , 2: Piston đồng bộ , 3: Piston chặn , 4:Cò mổ thứ nhất ,
5: Cò mổ thứ hai , 6: Cam thứ nhất , 7: Cam thứ hai.
* Ở tốc độ cao:
Piston tác động được bố trí bean trong cò mổ thứ nhất, nó được tác động bở áp lực dầu để di chuyển theo hướng mũi tên như hình (4). Cả hai cò mổ thứ 1 và thứ 2 được liên kết lại bằng piston đồng bộ. Ơ tốc độ này, biên độ mở của supap thứ hai giống như biên đo mở của supap thứ nhất nhằm đáp ứng cho sự hoạt động ở tốc độ cao giống như động cơ 4 supap thông thường (2 supap điều khiển phân phối khí).
1: Áp lực dầu đến, 2: Cam thứ nhất.
c./.Động cơ DOHC:
DOHC.
1.Trục cam , 2.Vấu cam cho tốc độ thấp v/p, 3. Vấu cam cho tốc độ cao v/p, 4. Cò mổ sơ cấp, 5. Cò mổ trung gian, 6. Cò mổ thứ cấp, 7. Piston
thuỷ lực A, 8. Piston thuỷ lực B, 9. Chốt chặn , 10. Lò xo lam mat sự
chuyển động ,11. Xupap thải, 12. Xupap nạp.
Hình 6 cho thấy hệ thống nâng và thời điểm xupap biến đổi được điều khiển bằng điện tử. Nó có thể thay đổi cả hai thời điểm và sự nâng xupap. Điều này sẽ cho động cơ chạy cầm chừng êm dịu của một động cơ xe ca chở khách và hiệu suất tốc độ cao của một động cơ xe đua. Động cơ DOHC bốn xupap dùng trục đỡ các cò mổ để truyền sự
chuyển động vấu cam đến các thân xupap. Trục cam có 3 vấu cam cho mỗi cặp xupap nạp và xupap thải, cò mổ thứ 3 là co mổ trung gian (ở hình 6). Nó ở giữa mỗi cặp xupap, mỗi cò mổ được gắn một piston thuỷ lực. Sự hoạt động của piston ăn khớp hay không ăn khớp với cò mổ này. Sự khác nhau ở sự thực hiện xảy ra bởi vì mỗi vấu cam thì khác nhau, vấu cam ở giữa thì cho tốc độ cao v/p. Các vấu cam thứ cấp và sơ cấp
thì cho tốc độ thấp. Các cảm biến ở động cơ gởi tín hiệu tốc độ động cơ, tải động cơ, tốc độ xe, và nhiệt độ nước làm mát đến ECM. Tại một thời điểm trên công tắc định trước , ECM sẽ gởi tín hiệu điện thế tới cuộn solenoid. Khi cuộn dây solenoid mơ và đóng , áp lực dầu đon g cơ được gởi đến các piston trong các cò mổ được lựa chọn. Khi đó các cò mổ ăn khớp hay không ăn khớp. Điều này làm thay đổi mà các vấu cam đang hoạt động các xupap. Sự thay đổi từ sự nâng thấp của các vấu gắn ở ngoài đến sự nâng cao hơn và sự cảm ứng của vau ở giữa sẽ tiếp nhận khoảng 0,1 giây. Hệ thống không ăn khớp tại tốc độ thấp hay khi động cơ ở không tải.
c./. Hệ thống điều khiển:
Hệ thống điều khiển cho cơ cấu này được trình bày bên dưới. Các cảm biến liên tục nhận sự thay đổi bên trong động cơ như : tải, nhiệt độ nước, số vòng quay động cơ và tốc độ xe. Những tín hiệu này sẽ được chuyển đến ECU để ECU điều khiển chính xác áp lực dầu đến các piston thuỷ lực.
* Các điều kiện chuyển đổi:
Số vòng quay động cơ : 2500 v/p.
Nhiệt độ nước : 530C
Tốc độ xe : 5 Km/h.
Tải động cơ : Dựa vào áp thấp ở đường ống nạp
d./.Ưu điểm của hệ thống:
Tính ưu việt ở loại động cơ này là công suất động cơ cao đồng thời với việc tiết kiệm nhiên liệu. Cơ cấu phân phối khí của động cơ này gần giống như kiểu phân phối khí của động cơ bốn xupap thông thường, nhưng nó được cải tiến sư phân phối tốt hơn. Ơ tốc độ thấp, lượng hoà khí nạp vào trong xylanh được tiết kiệm do chỉ mở moat trong hai supap, nhưng ở tốc độ trung bình và cao, công suất phát ra lớn do mở đồng thời
cả hai supap hút. Kiểu động cơ VTEC –E được kết hợp từ hai loai động cơ hai supap và bốn supap để chế tạo thành loại động cơ mang ưu điểm của hai loại này.
* Sau đây là một số phiên bản của hệ thống VTEC:
VTEC-E: là hệ thống bộ truyền động van trong đó hai chế độ cam điều khiển van có kích thước khác nhau. Cam ngắn hơn cho phép một van mở với độ mở ít và điều này làm giảm mức tiêu hao nhiên liệu. Giống hệ thống VTEC ban đầu, khi động cơ đạt số vòng/phút lớn hơn, chốt khóa khóa cam thiết kế cho vòng tua cao và thời gian mở van được tăng lên để đạt được công suất lớn hơn.
3STAGE VTEC: Hệ thống này sử dụng 3 chế độ cam khác nhau hoạt động ở 3 pha. Mỗi cam điều khiển một pha thời gian mở và nâng van khác nhau.
i-VTEC: (Intelligent VTEC) là hệ thống điều khiển van thành công nhất từ trước tới nay của hãng Honda và được ứng dụng trên nhiều mẫu xe. Hệ thống i-VTEC được giới thiệu năm 2001 và sử dụng thiết bị điều chỉnh thời gian van nạp biến thiên liên tục và hệ thống quản lý do máy tính điều khiển để tối ưu hóa mô men xoắn và hiệu suất sử dụng nhiên liệu.
AVTEC: Advanced VTEC được hãng Honda giới thiệu năm 2006. Hệ thống này kết hợp những lợi thế của hệ thống i-VTEC với hệ thống điều khiển pha biến thiên liên tục. Hãng Honda cho biết hệ thống AVTEC sẽ cho phép tiết kiệm 13% nhiên liệu so với hệ thống i-VTEC và giảm tới 75% khí thải so với tiêu chuẩn năm 2005. Tuy vậy, cho đến nay, hệ thống này vẫn chưa được trang bị cho các mẫu xe ô tô mới được sản xuất.

Chú ý: Van biến thiên VVTI được phụ tùng ô tô Honda Hoàng Tiến nhập khẩu và phân phối chính hãng tại Việt Nam!