Hệ thống điều khiển van biến thiên là gì?

EnterKnow: VVT là viết tắt của Variable Valve Timing – dịch ra là Định thời (thời gian) Van Biến Thiên hay Thay đổi thời điểm van. Hệ thống VVT còn được hiểu rộng hơn là Hệ thống điều khiển van biến thiên. VVT là quá trình thay đổi thời gian/thời điểm của sự kiện nâng van (sự kiện van là những lần xảy ra quá trình đóng và mở van – sự kiện đóng và sự kiện mở), và thường được sử dụng để cải thiện hiệu suất, tiết kiệm nhiên liệu hoặc tối ưu khí thải.

Trong ứng dụng mở rộng, VVT kết hợp với hệ thống nâng van biến thiên (Variable Valve Lift – VVL) tạo thành hệ thống điều khiển van biến thiên – đây là lý do mà tiêu đề bài viết được đặt. Định nghĩa mở rộng thì VVT là quá trình thay đổi thời điểm, lực nâng, khoảng, khoảng thời gian của sự kiện nâng van. Có nhiều cách để đạt được điều này, từ các thiết bị cơ khí đến hệ thống điện thủy lực và không cam.

Nguyên lý cơ sở

Trong động cơ đốt trong, các van (xupap) được sử dụng để điều khiển dòng khí nạp và khí thải vào và ra khỏi buồng đốt, với mong muốn là nạp đầy và xả sạch nhất có thể. Vì động cơ hút và xả giống như chúng ta thở nên sau đây chúng ta gọi ngắn gọn là thở (tức hút và xả). Các thời điểm thở của động cơ được xác định bởi các biên dạng cam và góc pha của cam. Do đó để tối ưu hóa nhịp thở của động cơ, yêu cầu thời điểm, khoảng thời gian và độ nâng van khác nhau ở các tốc độ và điều kiện tải khác nhau.

Thời điểm, khoảng thời gian và độ nâng của các sự kiện van này có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất, tiêu hao nhiên liệu và các tính năng kỹ thuật khác của động cơ. Nếu động cơ không có hệ thống điều khiển van biến thiên hoặc nâng của van biến thiên, thì thời điểm nâng, khoảng nâng van là giống nhau đối với tất cả các tốc độ và điều kiện làm việc của động cơ. Do đó, khi vòng tua động cơ tăng, thời gian hút và xả sẽ giảm do đó khí nạp không đủ nhanh để đi vào buồng đốt, trong khi khí thải không đủ nhanh để ra khỏi buồng đốt. Vì vậy, giải pháp tốt nhất là mở các van nạp sớm hơn và đóng các van xả muộn hơn. Nói cách khác, sự chồng chéo giữa thời điểm nạp và thời điểm xả cần được tăng lên khi vòng quay tăng lên, cho phép cải thiện hiệu suất trong phạm vi hoạt động của động cơ.

Các loại VVT – Các phương pháp điều khiển van biến thiên

1. Cam Switching hay Cam-Changing VVT – VVT Chuyển Đổi Cam

Phương pháp Cam switching hay VVT Chuyển Đổi Cam sử dụng nhiều hơn một biên dạng cam (thường là hai biên dạng cam), với một bộ truyền động để hoán đổi giữa các biên dạng (thường làm việc ở một tốc độ động cơ cụ thể). Việc chuyển đổi cam cũng có thể thay đổi độ nâng và thời gian van, tuy nhiên việc điều chỉnh là rời rạc thay vì liên tục.

1.1 Honda VTEC

Honda đã đi tiên phong trong việc sử dụng VVT vào ô tô từ cuối những năm 1980 với hệ thống VTEC nổi tiếng (Valve Timing Electronic Control – Điều khiển điện tử thời gian van). Lần đầu tiên xuất hiện trên Civic, CRX và NSX, sau đó trở thành tiêu chuẩn trong hầu hết các mẫu xe sản xuất của hãng. VTEC thay đổi áp suất thủy lực để tác động một chốt khóa để chuyển đổi qua lại cò mổ nâng cao và khoảng thời gian cao sang cò mổ nâng thấp và khoảng thời gian thấp.

Cơ chế VTEC là 2 bộ cam có hình dạng khác nhau để cho phép định thời và nâng khác nhau. Một bộ hoạt động ở tốc độ bình thường, chẳng hạn, dưới 4.500 vòng/phút. bộ thay thế khác hoạt động ở tốc độ cao hơn. Như vậy, cách thiết kế này không cho phép thay đổi thời gian và lực nâng liên tục, do đó động cơ hoạt động ở hai điều chỉnh ở hai giải tốc độ khác nhau. Đây gọi là hệ thống VTEC 2 giai đoạn (2-stage VTEC)

Hệ thống này cải thiện công suất cực đại – nó có thể tăng tốc độ tối đa lên gần 8.000 vòng/phút thậm chí còn cao hơn, giống như một động cơ có trục cam đua và tăng thêm công suất cực đại lên tới 30 mã lực đối với động cơ 1.6 lít! Tuy nhiên, để khai thác được mức công suất như vậy, bạn cần giữ cho động cơ luôn sôi ở ngưỡng vòng tua máy cao hơn, do đó cần phải thay đổi số thường xuyên. Vì mô-men xoắn ở tốc độ thấp tăng quá ít (các cam của động cơ thông thường thường phục vụ từ 0 đến 6000 vòng/phút, trong khi “cam chậm” của động cơ VTEC vẫn cần phải phục vụ trên 0 đến 4500 vòng/phút), khả năng điều tiết có thể không quá ấn tượng. Tóm lại, hệ thống VVT chuyển đổi cam phù hợp nhất với các dòng xe thể thao.

1.2. Honda 3-stage VTEC

Honda đã cải tiến VTEC 2 giai đoạn thành 3 giai đoạn trên một số mẫu xe. Tất nhiên, càng nhiều giai đoạn, thì nó càng trở nên tinh tế hơn. Nó vẫn cung cấp mô-men xoắn ít lan truyền rộng hơn các hệ thống biến thiên liên tục khác. Tuy nhiên, hệ thống chuyển đổi cam vẫn là VVT mạnh mẽ nhất trong các VVT thông thường, vì không có hệ thống nào khác có thể thay đổi độ nâng của van như nó.

Hệ thống 3-stage VTEC mới nhất của Honda đã được áp dụng trong động cơ Civic SOHC tại Nhật Bản. Cơ chế có 3 cam với các cấu hình thời điểm và độ nâng khác nhau. Lưu ý rằng kích thước của chúng cũng khác nhau – cam giữa (thời gian nhanh, độ nâng cao) kích thước lớn nhất; cam bên phải (thời gian chậm, nâng trung bình) có kích thước trung bình; cam bên trái (thời gian chậm, nâng thấp) kích thước nhỏ nhất.

Giai đoạn 1 (tốc độ thấp)

3 cò mổ di chuyển độc lập. Do đó, cò mổ trái, điều khiển van đầu vào bên trái, được điều khiển bởi cam trái nâng thấp. Cò mổ bên phải, điều khiển van đầu vào bên phải, được điều khiển bởi cam phải nâng trung bình. Thời gian của cả hai cam tương đối chậm so với cam giữa, lúc này không hoạt động điều khiển van.

Giai đoạn 2 (tốc độ trung bình)

Áp suất thủy lực (sơn màu cam trong hình) khóa các cò mổ bên trái và bên phải với nhau, để cò mổ giữa và cam tự chạy. Vì cam phải lớn hơn cam trái, các cò mổ được kết nối đó sẽ được điều khiển bởi cam phải. Kết quả là cả hai van nạp đều có thời gian chậm và lực nâng trung bình.

Giai đoạn 3 (tốc độ cao)

Áp suất thủy lực khóa tất cả 3 cò mổ lại với nhau. Vì cam giữa là lớn nhất, cả hai van nạp sẽ được điều khiển bởi cam nhanh đó. Do đó, thời gian nhanh và lực nâng cao thu được ở cả hai van.

1.3. Nissan VVL

Rất giống với hệ thống của Honda, nhưng cam phải và cam trái có cấu hình giống nhau. Ở tốc độ thấp, cả hai cò mổ đều được điều khiển độc lập bởi các cam phải và trái có thời gian chậm, nâng thấp. Ở tốc độ cao, 3 cò mổ được khóa lại với nhau để chúng được điều khiển bởi cam giữa có thời gian nhanh, nâng cao.

Đây là một hệ thống 3 giai đoạn:

• Giai đoạn 1 (tốc độ thấp): cả van nạp và van xả đều ở cấu hình chậm.
• Giai đoạn 2 (tốc độ trung bình): cấu hình nạp nhanh + cấu hình xả chậm.
• Giai đoạn 3 (tốc độ cao): cả van nạp và van xả đều ở cấu hình nhanh.

2. Cam Phasing VVT – VVT Định Pha Cam

Cam Phasing VVT dịch ra là VVT Định Pha Cam. Về cơ bản, nó thay đổi thời gian của van bằng cách dịch chuyển góc pha của trục cam. Ví dụ, ở vòng tua cao, trục cam nạp sẽ được quay trước 30 ° để cho phép nạp sớm hơn. Chuyển động này được điều khiển bởi hệ thống quản lý động cơ theo nhu cầu và được truyền động bởi các bánh răng van thủy lực.

Lưu ý rằng Cam Phasing VVT không thể thay đổi khoảng thời gian mở và độ nâng van. Nó chỉ cho phép mở van sớm hơn hoặc muộn hơn. Tất nhiên, việc mở cửa sớm hơn sẽ dẫn đến việc đóng sớm hơn. Tuy nhiên, Cam Phasing VVT là dạng VVT đơn giản nhất và rẻ nhất vì mỗi trục cam chỉ cần một bộ truyền động pha thủy lực, không giống như các hệ thống khác sử dụng cơ cấu riêng lẻ cho mỗi xi lanh.

Hệ thống Cam Phasing VVT đơn giản hơn chỉ cung cấp 2 hoặc 3 góc pha cố định, chẳng hạn như 0° hoặc 30°. Hệ thống cải tiến tốt hơn có thể thay đổi góc pha liên tục – biến thiên liên tục, điều này cung cấp thời điểm đóng mở van phù hợp nhất ở bất kỳ vòng quay nào, do đó nâng cao đáng kể tính linh hoạt của động cơ. Hơn nữa, quá trình chuyển đổi diễn ra liền mạch, góp phần tinh chỉnh tối ưu.

2.1. BMW Vanos / Double Vanos

VANOS là viết tắt của Variable Nockenwellensteuerung – tiếng Anh là Variable Camshaft Timing – nghĩa là Điều khiển thời điểm trục cam biến thiên. Cấu tạo cơ bản của Vanos tuân theo nguyên lý: đĩa xích liên kết với trục cam thông qua một bánh răng, bánh răng này có thể là răng thẳng hoặc nghiêng, bên trong bánh răng là rãnh then hoa, then hoa này cũng có thể thẳng hoặc nghiêng tùy thuộc và thiết kế nhưng có ít nhất một cái phải là nghiêng, răng nghiêng hoặc then hoa nghiêng. Bánh răng này liên kết cứng với piston, cả piston và bánh răng có thể di chuyển dọc theo trục cam do áp suất thủy lực.

Nhìn vào hình, nguyên lý hoạt động khá đơn giản. ECU nhận các tín hiệu cần thiết từ các cảm biến, sau đó sẽ điều chỉnh van điện từ để mở đường dầu có áp suất vào bên trong cụm xilanh – piston VANOS. Độ mở khác nhau của van điện từ sẽ cung cấp áp suất dầu khác nhau. Điều này sẽ dịch chuyển piston một lượng tùy theo độ mở. Ví dụ van điện từ mở đường dầu cấp vào phía bên ngoài của piston, áp suất dầu sẽ đầy piston di chuyển về phía trục cam, do cấu trúc liên kết chéo (then hoa hoặc răng chéo) làm cho trục cam xoay một lượng về bên trước, thay đổi thời điểm mở van. Tương tự nếu mở đường dầu cấp phía trong của piston thì nó bị đẩy ra ngoài, đồng thời xoay trục cam về phía sau. Lưu ý là lượng dầu luôn tràn đầy hai khoang ở hai phía piston.

Hệ thống Vanos thường chỉ lắp ở cam nạp, một số động cơ sử dụng cho cả cam xả và gọi đó là Double Vanos hoặc Bi-Vanos

2.2. Toyota VVT-i

VVT-i (Variable Valve Timing – Intelligent có nghĩa là Thời gian van biến thiên – thông minh) của Toyota đã và đang áp dụng rộng rãi trên hầu hết các mẫu xe của hãng. Cơ chế của nó ít nhiều giống với BMW Vanos. Nó cũng là một thiết kế biến đổi liên tục. Khác ở chỗ là VVT-i sẽ biến thiên thông qua van xoay và tác động trực tiếp đến trục cam, thay vi piston chạy dọc như BMW Vanos.

Tuy nhiên, từ “Intelligent” nhấn mạnh đến chương trình điều khiển thông minh. Không chỉ thay đổi thời gian theo vòng tua động cơ, nó còn xem xét các thông số khác như khả năng tăng tốc, lên dốc hay xuống dốc.

3. Cam Changing + Cam Vhasing VVT – Hệ thống VVT kết hợp Chuyển đổi và Định pha Cam

Đây là hệ thống kết hợp hai loại trên. Việc kết hợp VVT chuyển đổi cam và VVT định pha cam có thể đáp ứng yêu cầu của cả sức mạnh tối đa và tính linh hoạt trong toàn bộ dải vòng tua, và điều này cũng khiến nó chắc chắn sẽ phức tạp hơn.

3.1. Toyota VVTL-i

Toyota VVTL-i là một trong những thiết kế VVT tinh vi nhất cho đến nay. Các chức năng mạnh mẽ của nó bao gồm: Điều khiển thời gian van biến thiên pha cam liên tục; Nâng van biến thiên 2 giai đoạn cộng với khoảng thời gian mở van; Áp dụng cho cả van nạp và van xả

Hệ thống này có thể được coi là sự kết hợp giữa VVT-i hiện có và VTEC của Honda, mặc dù cơ chế nâng biến thiên khác với Honda.

3.2. Porsche Variocam Plus

Variocam Plus của Porsche được cho là được phát triển từ Variocam dành cho Carrera và Boxster. Tuy nhiên, cơ chế của chúng hầu như không chia sẻ gì. Variocam lần đầu tiên được giới thiệu trên chiếc 968 vào năm 1991. Nó sử dụng xích định thời để thay đổi góc pha của trục cam, do đó cung cấp thời gian van biến thiên 3 giai đoạn. 996 Carrera và 986 Boxster cũng sử dụng hệ thống tương tự. Thiết kế này là duy nhất và được cấp bằng sáng chế, nhưng nó thực sự kém hơn so với các pha cam thủy lực được các nhà sản xuất ô tô khác ưa chuộng, đặc biệt là nó không cho phép thay đổi nhiều đến góc pha.

Variocam Plus được sử dụng trong 996 Turbo đi theo xu hướng công nghiệp là sử dụng cam pha thủy lực thay vì xích. Tuy nhiên, những thay đổi có ảnh hưởng nhất của “Plus” là việc bổ sung nâng van biến thiên. Nó được thực hiện bằng cách sử dụng con đội thủy lực biến đổi. Như trong hình, mỗi van được phục vụ bởi 3 thùy cam – thùy giữa rõ ràng có độ nâng ít hơn (chỉ 3 mm) và thời gian mở van ngắn hơn. Nói cách khác, nó là cam “chậm”. Hai thùy cam bên ngoài hoàn toàn giống nhau, với định thời nhanh và độ nâng cao (10 mm). Lựa chọn các thùy cam được thực hiện bởi con đội biến đổi, bao gồm một con đội bên trong và một con đội bên ngoài. Chúng có thể được khóa lại với nhau bằng một chốt vận hành bằng thủy lực đi qua chúng. Bằng cách này, các thùy cam “nhanh” kích hoạt van, cung cấp độ nâng cao và thời gian mở dài. Nếu các con đội không được khóa với nhau, van sẽ được kích hoạt bởi thùy cam “chậm” thông qua con đội bên trong. Con đội bên ngoài sẽ di chuyển độc lập với bộ nâng van.

Như đã thấy, cơ chế nâng van biến thiên đơn giản và tiết kiệm không gian. Các con đội biến đổi chỉ nặng hơn một chút so với các con đội thông thường và gần như không tốn thêm không gian bố trí.

3.3. Honda i-VTEC

i-VTEC là sự kết hợp giữa biến thiên pha cam và chuyển đổi cam. Honda i-VTEC cũng giống như VVTL-i của Toyota:

• Định thời van biến thiên pha cam liên tục
• Nâng van biến thiên 2 giai đoạn cộng với khoảng thời gian mở van
• Có thể áp dụng cho cả van nạp và van xả

Về cơ bản, trục cam hoàn toàn là VTEC – với các thùy cam khác nhau để thực hiện nâng và định thời biến đổi 2 giai đoạn. Mặt khác, trục cam có thể được chuyển pha bằng cơ cấu truyền động thủy lực ở cuối trục cam, do đó, thời gian van có thể thay đổi liên tục tùy theo nhu cầu.

I-VTEC lần đầu tiên được giới thiệu trong Stream MPV, trong đó chỉ có phía cửa nạp áp dụng i-VTEC. Về mặt lý thuyết, nó có thể được áp dụng cho cả nạp và xả, nhưng Honda hầu như không sử dụng kết hợp này.

3.4. Audi Valvelift

Hệ thống Valvelift là loại VVT chuyển đổi cam, Audi đã ra mắt lần đầu tiên trong động cơ V6, phun xăng trực tiếp 2.8 lít của công ty và dự kiến sẽ được mở rộng để sử dụng cho nhiều thành viên khác của gia đình động cơ V6/V8 90 độ. Về bản chất thì đây là thuộc kiểu VVT chuyển đổi cam, nhưng do sự tối ưu vượt trội của nó với những hệ thống cùng loại, nên nó được xếp vào phân nhóm kết hợp.

So sánh với cơ chế của Honda hay Toyota, Audi có vẻ đơn giản và hiệu quả hơn. Nó hoạt động nâng có thể thay đổi mà không cần sử dụng các bộ phận trung gian phức tạp (ví dụ như cánh tay đòn khóa hoạt động bằng thủy lực), do đó, nó tiết kiệm không gian và trọng lượng trong khi giảm tổn thất ma sát và về mặt lý thuyết, cải thiện khả năng quay vòng. Làm thế nào Audi có thể làm được điều đó? câu trả lời là: trong hệ thống Valvelift, các miếng cam có thể trượt theo hướng dọc trục để thay đổi cam dẫn động.

3.5. Mercedes Camtronic

Mercedes đã giới thiệu hệ thống nâng van biến thiên của riêng mình trên động cơ bốn xi-lanh M270 series vào năm 2012. Với tên gọi Camtronic, mục tiêu chính của nó không phải là tăng cường sức mạnh mà là giảm mức tiêu thụ nhiên liệu. Ở mức nhẹ hoặc bán tải, Camtronic chuyển sang cam nâng thấp để hạn chế lượng khí nạp, do đó bướm ga có thể mở rộng và giảm tổn thất bơm. Nguyên tắc này tương tự như hệ thống Valvetronic của BMW, nhưng Camtronic là hệ thống 2 giai đoạn chứ không phải biến thiên liên tục. Mercedes lập luận rằng nó đạt được 80% lợi ích của một hệ thống liên tục trong khi chi phí chỉ bằng một phần, vì nó bao gồm ít bộ phận hơn. Camtronic tiết kiệm 4% nhiên liệu trong thử nghiệm chu trình hỗn hợp của Châu Âu.

Cơ chế hoạt động của Camtronic khá đơn giản. Trục cam nạp được phục vụ với một cơ cấu chấp hành định pha cam biến thiên thông thường ở đầu của nó cũng như các bộ phận nâng van biến thiên Camtronic. Trục cam được cấu tạo từ 2 trục rỗng mang cam, liên kết then hoa với trục đặc bên trong, mỗi trục phục vụ cho 2 xi lanh liền kề. Mỗi cam có 2 biên dạng (nâng thấp và nâng cao), biên dạng nào trong số chúng được tham gia phụ thuộc vào vị trí dọc của các trục cam rỗng. Khi động cơ cần chuyển đổi biên dạng cam, một bộ truyền động được gắn ở trung tâm áp dụng các chốt thép vào các rãnh trên trục cam rỗng, do đó, sự quay của trục cam làm cho các trục cam rỗng trượt theo hướng dọc và gắn kết các biên dạng cam thay thế trong một vòng quay.

3.6. GM IVLC

General Motors đã giới thiệu hệ thống nâng van biến thiên đầu tiên trên động cơ 2.5 lít bốn xi-lanh phun xăng trực tiếp vào cuối năm 2012. Các ứng dụng đầu tiên của nó là Chevrolet Impala và Malibu. IVLC (Intake Valve Lift Control – Điều khiển nâng van nạp) áp dụng cho trục cam nạp và tương thích với định pha cam biến thiên. Nó sử dụng một bộ con lăn cò mổ đặc biệt để thực hiện chức năng nâng có thể thay đổi. Bộ con lăn này bao gồm 2 phần – bộ con lăn bên trong tác động trực tiếp vào van nạp và bộ con lăn bên ngoài. Chúng có thể được tách ra hoặc khóa lại với nhau bằng bộ điều chỉnh cò mổ, được điều khiển bằng áp suất dầu và được điều khiển bởi ECU.

Mỗi van nạp của nó được phục vụ với 3 vấu cam, tức là 2 “cam nhanh” có độ nâng cao/thời gian dài giống hệt nhau kẹp giữa là một “cam chậm” có độ nâng thấp/thời gian ngắn. Chúng kích hoạt van nạp thông qua bộ con lăn trên cò mổ. Cam nhanh bên ngoài ấn vào con lăn bên ngoài. Ở vòng tua máy thấp, liên kết bộ điều chỉnh được mở khóa, do đó con lăn cò mổ bên ngoài di chuyển lên xuống tự do mà không thực sự ấn vào van. Trong khi đó, cam chậm bên trong tác động lên bộ con lăn bên trong và kích hoạt van, do đó động cơ chạy với độ nâng van thấp.

Ở vòng tua máy cao, cần nhiều không khí hơn, đòn bẩy khóa các bộ con lăn bên ngoài và bên trong lại với nhau, do đó cam nhanh có thể kích hoạt van thông qua các bộ con lăn bị khóa.

4. Dẫn động cam lệch tâm

Hệ thống truyền động cam lệch tâm hoạt động thông qua cơ cấu đĩa lệch tâm làm chậm và tăng tốc độ góc của thùy cam trong quá trình quay của nó. Sắp xếp thùy làm chậm trong thời gian mở tương đương với việc kéo dài khoảng thời gian của nó.

Ưu điểm của hệ thống này là thời lượng có thể thay đổi độc lập với độ nâng (tuy nhiên hệ thống này không thay đổi độ nâng). Hạn chế là cần có hai bộ truyền động lệch tâm và bộ điều khiển cho mỗi xi lanh (một cho van nạp và một cho van xả), điều này làm tăng độ phức tạp và chi phí.

Hệ thống VVC độc đáo của Rover

Nhà sản xuất ô tô Anh Quốc Rover đã giới thiệu hệ thống VVT của riêng mình có tên VVC (Variable Valve Control – Điều khiển van biến thiên) trên MGF vào năm 1995. Nhiều chuyên gia đánh giá đây là hệ thống VVT tốt nhất vào thời điểm đó. VVC có thể liên tục thay đổi khoảng thời gian mở van nạp từ tối thiểu 220 độ (góc tay quay) đến tối đa 295 độ. Điều này không giống như các hệ thống VVT định pha cam, chỉ có thể thay đổi điểm mở van về phía trước hoặc phía sau nhưng không liên quan gì đến khoảng thời gian mở. Kết quả là, VVC cho phép dòng chảy vào buồng đốt cao hơn ở vòng tua cao, mang lại công suất tối đa cao. Mặt khác, không giống như các hệ thống chuyển đổi cam, việc điều chỉnh khoảng thời gian mở van của nó là liên tục, do đó mô-men xoắn tầm trung được tối ưu hóa. Điều này làm cho nó có được sự tối ưu, cân đối tốt hơn giữa sức mạnh và tính linh hoạt so với hệ thống định pha và chuyển cam.

Để tạo ra sự thay đổi liên tục của thời gian mở van là một thách thức kỹ thuật lớn. Ở vòng quay cao, thời gian mở van nạp sẽ được kéo dài, trong khi thời gian đóng van nạp sẽ được rút ngắn. Do đó, trục cam nạp phải quay chậm hơn ngay khi cam đang tác động lên van nạp. Khi van đã đóng, trục cam phải tăng tốc độ để rút ngắn thời gian đóng van. Trong chu kỳ tiếp theo, trục cam lại phải giảm tốc độ khi van nạp mở, cứ như vậy. Hệ thống Rover VVC sử dụng một cơ chế rất phức tạp để thực hiện điều đó. Khó hiểu nhưng về bản chất nó sử dụng tính chất đặc biệt của bánh xe dẫn động lệch tâm. Bởi vì bánh xe dẫn động lệch tâm quay quanh trục lệch tâm, nếu bạn quay vòng truyền động ngoài của nó với tốc độ không đổi, trục sẽ quay không liên tục, giống như dao động. Chênh lệch tốc độ phụ thuộc vào khoảng cách giữa trục và tâm bánh xe, tức là khoảng cách càng dài thì sự chênh lệch tốc độ quay càng lớn. VVC sử dụng một trục có thể trượt để thay đổi khoảng cách này do đó có sự khác biệt về tốc độ.

Vấn đề là, nếu một trục cam phục vụ nhiều xi lanh, thì sẽ có những yêu cầu trái ngược nhau. Ví dụ, xi lanh 1 đang làm việc ở giai đoạn nạp trong khi các xi lanh khác đóng van nạp. Giả sử động cơ đang chạy ở vòng tua cao, xi lanh 1 cần trục cam nạp quay chậm hơn trong khi các xi lanh khác cần quay nhanh hơn. Do đó, VVC không thể sử dụng một trục cam nạp đơn như các động cơ thông thường. Trong thực tế, nó cần 4 trục cam cho động cơ 4 xi-lanh! Hình bên phải ở trên cho thấy 4 trục cam được sắp xếp thành 2 nhóm. Mỗi nhóm có một trục cam cứng (đối với xi lanh trong) chạy bên trong trục cam rỗng (đối với xi lanh ngoài). Mỗi nhóm được dẫn động bởi bộ truyền động VVC kép có 2 vòng truyền động để dẫn động 2 trục cam. Bởi vì hai nhóm trục cam hoàn toàn không được kết nối, một dây đai truyền động bổ sung phải được đưa vào. Để tiết kiệm không gian và trọng lượng, Rover chỉ cần sử dụng trục cam xả để dẫn động nhóm trục cam nạp khác.

Như bạn có thể thấy, VVC là một loại kỹ thuật rất phức tạp. So sánh động cơ Rover 1.8 VVC với phiên bản không sử dụng VVC, công suất của nó được nâng từ 120 mã lực lên 145 mã lực, trong khi mô-men xoắn cực đại được cải thiện từ 122 lên 128 lbft. Mặt khác, sự phức tạp của nó có nghĩa là chi phí cao hơn. Một động cơ bốn xi lanh cần 2 bộ truyền động VVC. Một động cơ V6 thậm chí cần 4 bộ truyền động VVC. Tiếp đó là trục cam và dây đai truyền động phức tạp hơn. Những nhược điểm này ngăn cản nó trở nên phổ biến.

5. Cam dao động hay Nâng van biến thiên liên tục (CVVL)

Thiết kế này sử dụng chuyển động dao động hoặc rung chuyển trong thùy cam một phần tác động lên con lăn cò mổ. Cò mổ này sau đó mở và đóng van. Một số hệ thống cam dao động sử dụng một thùy cam thông thường, một số hệ thống khác sử dụng một thùy cam lệch tâm và một thanh nối.

CVVL – Hệ thống nâng van biến thiên liên tục (Continuous Variable Valve Lift) có khả năng thay đổi độ nâng van liên tục theo vòng quay, tức là, vòng tua máy càng cao thì độ nâng càng cao. Ở vòng tua máy thấp, độ nâng van giảm của nó làm tăng tốc độ dòng khí, cải thiện hỗn hợp không khí/nhiên liệu, do đó giúp tiết kiệm nhiên liệu tốt hơn và khí thải sạch hơn. Hơn nữa, các nhà sản xuất ô tô có thể sử dụng CVVL để điều chỉnh công suất động cơ, do đó loại bỏ sự cần thiết của bướm ga và giảm “tổn thất bơm”.

Ưu điểm của thiết kế này là việc điều chỉnh độ nâng và thời lượng là liên tục. Tuy nhiên, trong các hệ thống này, độ nâng tỷ lệ thuận với thời lượng, do đó, lực nâng và thời lượng không thể được điều chỉnh riêng biệt.

5.1. BMW Valvetronic

Ra mắt trên BMW 316ti Compact vào năm 2001, Valvetronic là cơ cấu nâng van biến thiên liên tục đầu tiên được đưa vào sản xuất. Thay vì tăng cường sức mạnh, mục tiêu của Valvetronic là giảm tiêu thụ nhiên liệu. Theo vị trí của bàn đạp ga, nó điều chỉnh công suất động cơ bằng cách thay đổi độ sâu nâng van. Điều này có nghĩa là bướm ga thông thường có thể được vô hiệu hóa do đó giảm tổn thất bơm. Nhìn chung, BMW đã giảm được 10% mức tiêu thụ nhiên liệu với Valvetronic.

Động cơ sử dụng Valvetronic bổ sung thêm một động cơ điện, một trục lệch tâm và ở mỗi van nạp một cánh tay đòn (cò mổ) trung gian. Trục cam nạp tác dụng lên các tay đòn trung gian thông qua các ổ lăn. Khi yêu cầu thêm công suất, động cơ điện sẽ làm quay trục lệch tâm, điều này sẽ đẩy các tay đòn trung gian và lần lượt đẩy van để mở sâu hơn.

Mặc dù Valvetronic có hiệu quả để giảm mức tiêu thụ nhiên liệu khi chạy một phần tải, nhưng nó hoàn toàn không mang lại lợi ích cho công suất cuối, vì các thành phần bổ sung của nó dẫn đến ma sát và quán tính bổ sung, do đó hạn chế khả năng quay vòng của động cơ. Đây là lý do tại sao BMW chưa bao giờ áp dụng Valvetronic cho động cơ M-power hiệu suất cao của mình. Một nhược điểm nữa là kích thước, chiếm nhiều diện tích phía trên đầu xi lanh.

5.2. Nissan VVEL

Nissan đã giới thiệu hệ thống Variable Valve Event and Lift (VVEL) – Nâng và sự kiện van biến thiên vào năm 2007 với tư cách là hệ thống CVVL thứ hai trên thế giới. Ứng dụng đầu tiên là trên động cơ VQ37VHR V6 của Skyline Coupe (Infiniti G37). So với Valvetronic của BMW, hệ thống của Nissan nhỏ gọn hơn, ít bộ phận hơn và ít mất năng lượng hơn, do đó nó phù hợp với động cơ hiệu suất cao.

Mặc dù VVEL sử dụng ít bộ phận hơn, nhưng nó vẫn là một thiết kế phức tạp. Các sơ đồ trên cho thấy cấu tạo bên trong của nó, trông không giống bánh răng van thông thường. VVEL không sử dụng trục cam nạp thông thường. Mỗi van được kích hoạt bởi một cam được xoay trên – nhưng không cố định vào trục cam. Trong khi cam truyền thống quay quanh trục cam, cam trong VVEL xoay lên và xuống qua lại, đây là lý do tại sao nó không cần cấu hình đối xứng.

5.3. Toyota Valvematic

Toyota gia nhập câu lạc bộ CVVL vào năm 2008 với công nghệ Valvematic. So sánh với BMW Valvetronic và Nissan VVEL, Valvematic có vẻ tốt hơn về nhiều mặt: cấu tạo của nó tương đối đơn giản; Nó nhỏ gọn và không làm tăng chiều cao của đầu xi lanh; Quan trọng nhất, nó thêm ít quán tính và ma sát, do đó không ảnh hưởng đến công suất đầu cuối. Toyota tuyên bố nó cải thiện 10% công suất trong khi giảm 5-10% mức tiêu thụ nhiên liệu khi lái xe thường xuyên.

Valvematic sử dụng một trục trung gian để đạt được độ nâng van biến thiên liên tục. Trục trung gian có một bộ phận dẫn động cho mỗi xi lanh. Mỗi bộ phận dẫn động được làm bằng hai bộ phận cò mổ dẫn ghép lại với một bộ phận ổ lăn. Các bộ cò mổ dẫn có thể quay liên quan đến bộ phận con lăn nhờ các then hoa bên trong và một động cơ điện được gắn vào cuối trục trung gian. Lưu ý rằng then hoa của bộ phận con lăn và bộ cò mổ có hướng ngược nhau. Điều này có nghĩa là khi trục quay, bộ phận con lăn và bộ cò mổ sẽ di chuyển theo hướng ngược lại, di chuyển ra xa hoặc gần nhau hơn. Bằng cách này, góc trục giữa chúng có thể thay đổi vô hạn bởi động cơ điện.

Van nạp được dẫn động bằng trục cam thông qua trục trung gian. Nói một cách chính xác hơn, trục cam tác động lên bộ phận con lăn của trục trung gian, truyền chuyển động cho cả hai bộ phận cò mổ dẫn, sau đó hướng tới các cò mổ con lăn và cuối cùng đến các van nạp.

Khi bộ cò mổ dẫn được đặt ở góc hẹp so với bộ phận con lăn, nó dẫn đến độ nâng van thấp. Khi tăng góc bổ cò mổ dẫn, độ nâng của van cũng tăng lên. Bằng cách này, Valvematic có thể thay đổi độ nâng của van bằng cách điều chỉnh góc của bộ cò mổ dẫn. Trong động cơ Valvematic 2.0 lít đầu tiên, độ nâng có thể thay đổi từ 0,97mm đến 11mm. Độ nâng van cao cho phép công suất đầu cuối mạnh hơn. Động cơ Valvematic 2.0 lít, tạo ra công suất tối đa 158 mã lực, tăng từ 143 mã lực của phiên bản VVT-i kép thông thường.

6. Điều khiển van điện thủy lực

Hệ thống này sử dụng dầu bôi trơn động cơ để điều khiển việc đóng mở van nạp. Cơ cấu mở van nạp kết hợp một bộ phận điều chỉnh van và một piston bên trong một buồng. Một van điện từ được điều khiển bởi hệ thống điều khiển động cơ, được cung cấp năng lượng và cung cấp dầu thông qua van một chiều trong thời gian cam nâng và dầu sẽ được lấp đầy trong khoang và kênh trở lại bể chứa bị chặn bởi bộ phận van. . Trong quá trình chuyển động đi xuống của cam, tại một thời điểm cụ thể, đường hồi sẽ mở ra và áp suất dầu được giải phóng đến bể chứa của động cơ.

FIAT Multiair

Thông thường, việc mở van động cơ và do đó lượng không khí đi vào xi lanh được điều khiển bằng tác động trực tiếp từ trục cam.

Với Multiair, việc mở thực tế của các van nạp được điều khiển bằng cách sử dụng chất lỏng thủy lực chạy qua các đoạn hẹp được điều khiển bởi một van điện từ điện tử tác động kép. Khi van điện từ đóng hoàn toàn, ở tốc độ đường cao tốc hoặc khi tăng tốc tối đa, Multiair cho phép hệ thống van nạp hoạt động giống như động cơ truyền thống. Tuy nhiên, khi van điện từ mở, dầu sẽ đi qua đường dẫn, tách các van. Van nạp không còn được điều khiển bởi tác động trực tiếp của trục cam mà chịu tác động của lò xo van.

Multiair cũng giúp động cơ duy trì các cách thức điều khiển van tối ưu trong quá trình khởi động động cơ và thông qua tuần hoàn khí xả bên trong. Bằng cách mở lại các van nạp trong quá trình xả, lượng khí thải được giảm xuống – tới 40% đối với hydrocacbon và carbon dioxide, lên đến 60% đối với oxit nitơ.

7. Camless/Freevalve – Công nghệ không cam

Freevalve/Camless – dịch ra có nghĩa là Động cơ không có cam hoặc động cơ van xupap tự do là động cơ có Xupap (Poppet valve) được đóng/mở bằng cơ cấu truyền động điện từ, thủy lực khí nén hoặc kết hợp thay vì sử dụng cam thông thường. Bộ truyền động có thể được sử dụng để mở và đóng van, hoặc chỉ để mở van còn việc đóng đóng bằng đàn hồi của lò xo hoặc các biện pháp khác. Khái niệm Freevalve còn được gọi là truyền động van biến thiên hoàn toàn, cung cấp khả năng độc nhất để kiểm soát độc lập các van nạp và van xả trong động cơ đốt trong.

Hệ thống không cam có lẽ là loại VVT hoàn chỉnh nhất, vì nó có thể điều chỉnh, kiểm soát sự đóng mở của các van một cách độc lập, tùy ý, theo nhu cầu. Hệ thống này được phân ra nhiều loại khác nhau. Hiện nay nổi bật nhất là Công nghệ Freevalve của Koenigsegg

Freevalve của Koenigsegg sử dụng bộ truyền động điện-thủy lực-khí nén kết hợp với các kỹ thuật cảm biến tiên tiến. Với bất kỳ điều kiện tải động cơ nào, thời điểm hút và xả có thể được lập trình độc lập. Sử dụng trí thông minh nhân tạo, hệ thống điều khiển van có thể “quyết định” một cách thông minh dựa trên các điều kiện lái xe nhận biết được sẽ sử dụng điều kiện nào để tối đa hóa hiệu suất hoặc giảm thiểu mức tiêu thụ nhiên liệu và khí thải. Điều này cho phép mức độ kiểm soát lớn hơn đối với động cơ, do đó mang lại lợi ích hiệu suất đáng kể.

Bài viết này tổng hợp một số kiểu thiết kế, công nghệ biến thiên van. Ngoài ra, còn rất nhiều kiểu thiết kế khác, nhưng sử dụng hạn chế, hoặc không sử dụng trên động cơ thực tế.

Create 2018, Update 2023