Hệ thống cơ - điện tử ô tô hiện đại KS.Nguyễn Hùng Mạnh
Các phương pháp điều khiển đường đặc tính động cơ trên ô tô hiện đại

Động cơ ô tô là nguồn động lực giúp ô tô có thể chuyển động được trên
đường. Từ khi ra đời, động cơ đã có nhiều cuộc cách mạng công nghệ làm thay đổi
đáng kể kết cấu cũng như các thông số của động cơ. Với xu thế phát triển ngày một
cao của nền công nghiệp ô tô bằng việc ứng dụng các thành tựu trong các lĩnh vực
điện- điện tử và công nghệ thông tin. Yêu cầu về tăng tốc hay nói cách khác là nâng
cao tốc độ của ô tô là mục đích của các nhà chế tạo ô tô trong tương lai. Động cơ
nguyên thủy ban đầu không đáp ứng được yêu cầu này. Để có thể hiểu rõ hơn, có
thể tìm hiểu từ đường đặc tính ngoài của động cơ như trên hình 1. Hình 1 : Đường đặc tính mômen xoắn của động cơ
Qua đồ thị đặc tính mômen xoắn ta thấy, với động cơ nguyên thủy cho mô
men xoắn cao ngay cả khi tốc độ của xe thấp đồng thời cho phép chạy không tải ổn
định. Tuy nhiên nhược điểm là vùng vận tốc bị giới hạn nhỏ, khi vượt quá giới hạn
vận tốc này các giá trị về mô men xoắn, công suất đều giảm nhanh chóng, suất tiêu
hao nhiên liệu tăng, xe không có khả năng tăng tốc được nữa. Vấn đề đặt ra là cần
thiết nâng cao tốc độ lớn nhất của ô tô hay mở rộng vùng làm việc của động cơ ở số
vòng quay cao. Từ đồ thị ta thấy khi dịch chuyển đường đặc tính ngoài cho phép



2
Hệ thống cơ - điện tử ô tô hiện đại KS.Nguyễn Hùng Mạnh
trục cam bị xoay đi một góc so với góc ban đầu làm xoay trục cam. Hoặc dùng
khớp dầu đầu trục cam để làm xoay trục cam như trên hình 2.
Bộ chấp hành của bộ điều khiển VVT-i dùng để điều khiển xoay trục cam
nạp. Vỏ của nó được dẫn động bởi xích cam, nhận chuyển động từ trục khuỷu động
cơ. Các cánh gạt được lắp trên trục cam. Sự thay đổi chiều áp lực dầu làm xoay
cánh gạt đồng thời cam quay, làm thay đổi thời điểm phối khí của trục cam nạp. Hình 2 : Điều khiển pha phối khí bằng việc thay đổi khớp dầu
đầu trục cam
ECU sau khi nhận được các thông tin từ các cảm biến gửi về, tính toán thời
điểm đóng mở xu páp tối ưu phù hợp với các chế độ của động cơ và gửi tín hiệu
điều khiển van phân phối dầu đến trục cam. Việc cấp dầu làm quay cánh gạt lắp
trên trục cam dẫn đến làm sớm, muộn hay duy trì thời điểm phối khí. Các trạng thái
cụ thể như sau:

Hình 5 : Trạng thái giữ pha phối khí

4
Hệ thống cơ - điện tử ô tô hiện đại KS.Nguyễn Hùng Mạnh
b) Thay đổi biên dạng cam: Trên các loại xe hiện đại, trục cam có thể có
hai vấu cam hoặc ba vấu cam (cam tốc độ thấp và cam tốc độ cao). Trên hình là
trục cam 3 vấu của động cơ V-TEC hãng xe Honda gồm 2 cam tốc độ thấp và 1
cam tốc độ cao:
Đặc tính của động cơ khi trang bị hệ thống V-TEC:
Nguyên lý làm việc của V-TEC được thể hiện trên hình 6 :
- Khi chưa điều khiển ( Ở tốc độ thấp) : Các tín hiệu từ các cảm biến của
động cơ gửi thông tin tới ECU ( Electronic Control Unit) về tình trạng làm việc của
động cơ xác định ở tốc độ thấp. ECU không gửi tín hiệu điều khiển van tháo dầu
(dầu bôi trơn), khí đó chốt (1), (2) (chốt ở cam tốc độ thấp và cam tốc độ cao) nằm
ở vị trí trung gian. Khi trục cam (5) quay, cam tốc độ thấp (3) làm việc tác động lên
cò mổ (6) làm mở và đóng xu páp, cam tốc độ cao cũng quay nhưng không tác
dụng lên cò mổ xu páp.
- Khi điều khiển (Ở tốc độ cao) : ECU nhận được thông tin động cơ đang làm
việc ở số vòng quay cao, ECU sau khi nhận thông tin gửi tín hiệu xung điều khiển,
điều khiển mở van tháo dầu, dầu được cấp đi qua đường rỗng bên trong trục cam
đến cửa A. Do áp lực dầu, chốt 1 bị đẩy sang phải đồng thời chốt 2 cũng bị đẩy
sang phải nén chốt B (có lò xo nén). Khi các chốt (1), (2) dịch chuyển sang vị trí
bên phải nó sẽ khóa cứng cò mổ xu páp(6) với cò mổ trung gian (7). Trục cam (5)
quay ở tốc độ cao kéo theo cam tốc độ cao (4) quay, tác động lên cò mổ trung gian
(7) đến cò mổ xu páp (6) điều khiển mở, đóng xu páp ứng với chế độ tốc độ cao.
Quá trình điều khiển sẽ lặp lại tùy theo chế độ làm việc của động cơ.

a)
Hình 7 : Trạng thái làm việc
của các chốt khi điều khiển
a) Chưa cấp dầu điều khiển
b) Cấp dầu điều khiển
b
)
2. Điều khiển xu páp thông minh (Valvetronic):
Khái niệm động cơ không bướm ga đã trở thành hiện thực khi trên động cơ
có trang bị xu páp điều khiển thông minh. Khi được điều khiển, xu páp đóng luôn
vai trò bướm ga thực hiện đóng mở phù hợp với chế độ tính toán mà ECU nhận

6
Hệ thống cơ - điện tử ô tô hiện đại KS.Nguyễn Hùng Mạnh
được từ các thông tin gửi về. Mức tải phù hợp của động cơ được điều khiển trực
tiếp bằng độ đóng mở xu páp.
Kết cấu của hệ điều khiển xupáp thông minh được thể hiện trên các hình sau.
1: Trục cam phụ được điều khiển bằng một mô tơ bước (6). Môtơ bước được
điều khiển bởi ECU động cơ.
2: Trục cam chính của động cơ làm việc như trục cam thông thường trên các
loại động cơ trước đây.
3: Đòn trung gian: Đòn trung gian có kết cấu rất phức tạp, có biên dạng phù
hợp với biên dạng của cam trên trục cam phụ và cam trên trục cam chính.
4: Cò mổ xupáp được lắp trên trục của nó.
5: Gối đệm dầu ở một đầu của cò mổ xupáp.

6: Lò xo hồi vị đòn trung gian; 7: Xupáp nạp; 8: Cam xả; 9:Xu páp xả
- Khi điều khiển: Khi động cơ tăng tải, các thông tin được gửi về ECU, được
ECU xử lý. ECU gửi tín hiệu điều khiển tới mô tơ bước, đầu trục ra của mô tơ bước
có bánh răng ăn khớp với cung răng trên trục cam phụ. Khi đó trục cam phụ (1) bị
xoay với một góc độ nào đó ( theo điều khiển của môtơ bước), vấu cam trên trục
cam phụ tỳ lên và làm xoay đòn trung gian, đẩy đòn trung gian hạ thấp xuống phía

8
Hệ thống cơ - điện tử ô tô hiện đại KS.Nguyễn Hùng Mạnh
dưới. Đồng thời trục cam chính làm việc, vấu cam trên trục cam chính đẩy vào trục
trung gian làm trục trung gian bị đẩy ngang nhưng ở độ cao thấp hơn so với trường
hợp chưa điều khiển. Đầu dưới của đòn trung gian tỳ lên vấu của trục giàn cò, đẩy
cò mổ tỳ vào đuôi xu páp thực hiện mở xu páp với chiều sâu mở lớn hơn.
Với hệ điều khiển này, xupáp có thể được điều khiển đóng mở với khoảng
đóng mở từ 0 đến 12mm phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ.
3. Điều khiển nạp gió thông minh
Trên hệ thống phun xăng điện tử, việc điều khiển được thực hiện qua điều
khiển đường gió. Khi lượng gió thay đổi, ECU sẽ điều khiển phun một lượng xăng
phù hợp đảm bảo tỷ lệ theo chế độ làm việc của động cơ. Hãng Toyota đưa ra hệ
điều khiển nạp gió thông minh ACIS ( Acoustic Control Induction System) và T-
VIS ( Toyota- Variable Induction System). Trên hình 10 là hệ thống điều khiển
nạp gió thông minh ACIS của hãng Toyota. Hệ thống này thực chất là cải thiện
mômen xoắn của động cơ khi mở rộng vùng tốc độ của động cơ. Hệ thống ACIS sử
dụng một van đặt đường ống nạp, van này được điều khiển đóng và mở đề thực
hiện nhiệm vụ thay đổi chiều dài đường nạp. Hình 10: Hệ thống điều khiển nạp gió thông minh ACIS
1: Bướm ga ; 2: Van ACIS; 3:Bình chân không; 4: VSV (Vacuum Switching Valve)
5: Hộp màng; 6: Cảm biến vị trí bướm ga; 7: Bộ chia điện

)
Van ACIS

Trạng thái đóng mở van quyết định chế độ làm việc của động cơ được thể
hiện trên hình 12 và ứng với các đường cong mômen. Qua đồ thị nhận thấy, ở nhánh 2,3 động cơ chạy tiết kiệm nhiên liệu, ở nhánh
4 động cơ có khả năng tăng được mômen xoắn, phát huy được tốc độ một cách
đáng kể.
Hình 12 : Trạng thái đóng mở các van VSV và ACIS

10
Hệ thống cơ - điện tử ô tô hiện đại KS.Nguyễn Hùng Mạnh
Các hệ thống trên nằm trong hệ điều khiển động cơ theo chương trình. Đây
là một hệ thống điều khiển điện tử lập trình nhằm điều khiển hoạt động của các hệ
thống, các khối chức năng của động cơ, ghi nhận lại những sự cố và những thông
tin về sự cố trong hệ thống điều khiển. Ngoài ra hệ điều khiển này còn chịu tác
động bởi các hệ điều khiển khác trên ô tô.
Xu hướng phát triển của động cơ trong tương lai đó là cải tiến công nghệ vật
liệu, ứng dụng công nghệ điện- điện tử và công nghệ thông tin nhằm điều khiển tối
ưu động cơ, phù hợp với mọi chế độ hoạt động đồng thời tiết kiệm nhiên liệu, giảm
ô nhiễm môi trường. Vấn đề toàn cầu của nền công nghiệp hiện nay đó là vấn đề
tiết kiệm nguồn nhiên liệu truyền thống ( nhiên liệu xăng, dầu dần trở nên khan