Động cơ đốt trong hoạt động dựa trên quá trình đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và không khí, từ đó tạo ra áp suất và chuyển động. Khi không khí và nhiên liệu được hòa trộn và đốt cháy trong xi lanh, hoạt động của van biến thiên tạo ra sự kết hợp của hỗn hợp này ra áp lực lên piston, dẫn đến việc chuyển đổi thành năng lượng cơ học. Quy trình này, thường được gọi là sạc xi lanh, đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hiệu suất và sức mạnh của động cơ.
Tuy nhiên, trong các động cơ có hút khí tự nhiên (tức không sử dụng turbo), việc sạc xi lanh bị giới hạn bởi áp suất khí quyển. Điều này có nghĩa là lượng không khí có thể được đẩy vào xi lanh chỉ có thể đạt đến một mức độ nhất định. Để khắc phục hạn chế này, nhiều phương pháp đã được phát triển nhằm cải thiện hiệu quả sạc xi lanh, trong đó có VVTI và VTEC.
Tóm tắt bài viết
Việc Nạp Hỗn Hợp Nhiên Liệu-Không Khí Ở Động Cơ
Trong động cơ 4 thì, hỗn hợp nhiên liệu-không khí đi vào xi lanh qua van hút trong quá trình nạp. Van hút mở ra cho phép không khí đi vào xi lanh và sau đó đóng lại khi quá trình nạp kết thúc. Tuy nhiên, vì chu kỳ động cơ xe hơi diễn ra rất nhanh, thời gian van hút mở ra rất ngắn, đặc biệt là ở mức RPM cao. Khi động cơ hoạt động ở tốc độ cao, không có đủ thời gian để nạp đầy không khí vào xi lanh, dẫn đến việc giảm áp suất trên piston trong quá trình đốt cháy. Điều này làm giảm công suất và hiệu quả của động cơ.
Ngoài ra, ở độ cao, áp suất khí quyển giảm, dẫn đến mật độ không khí thấp hơn. Điều này có nghĩa là lượng oxy có sẵn trong không khí cũng giảm, gây ra sự đốt cháy không hoàn toàn và dẫn đến công suất đầu ra thấp hơn. Đơn vị Điều khiển Động cơ (ECU) điều chỉnh việc phun nhiên liệu dựa trên lượng không khí để duy trì tỷ lệ nhiên liệu đúng, nhưng giảm mật độ không khí dẫn đến việc phun nhiên liệu thấp hơn, làm giảm thêm công suất.
Sự Cải Tiến Thiết Kế Van Hút Kép Trong Động Cơ
Một trong những kỹ thuật phổ biến được sử dụng trong hầu hết các động cơ là sự chồng chéo van, khi van hút mở ra một chút trước khi van xả đóng lại. Điều này cho phép có thêm không khí vào xi lanh, nhưng thời gian chồng chéo rất ngắn nên hiệu quả của nó bị hạn chế.
Để cải thiện luồng không khí, các nhà sản xuất đã giới thiệu van hút kép, tạo nên động cơ 12 van (cho động cơ 4 xi lanh). Tuy nhiên, sự hiện diện của chỉ một van xả vẫn tạo ra áp lực ngược, hạn chế luồng không khí. Để giải quyết vấn đề này, các động cơ đã được nâng cấp lên thiết kế 16 van (mỗi xi lanh có 2 van hút và 2 van xả). Mặc dù điều này cải thiện hiệu suất, việc lấp đầy xi lanh ở mức RPM cao vẫn chưa tối ưu.
Thời gian van biến thiên (VVT)
Để cải thiện việc hút khí ở RPM cao, các nhà sản xuất đã giới thiệu Thời gian Camshaft Biến Thiên (VCT). Trong hệ thống này, thời gian của trục cam được điều chỉnh bằng áp suất dầu, cho phép van hút mở sớm hơn và mở lâu hơn. Điều này giúp cải thiện lượng không khí hút vào, tăng hiệu quả sạc xi lanh ở mức RPM cao.
Hệ thống này được điều khiển bởi hệ thống điện tử và được biết đến với những tên gọi khác nhau tùy thuộc vào nhà sản xuất:
- Toyota – VVTI (Variable Valve Timing with Intelligence)
- Honda – VTEC (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control)
- Mitsubishi – MIVEC (Mitsubishi Innovative Valve timing Electronic Control)
Sự khác biệt giữa van biến thiên VTEC và VVTI
VVTI (Toyota) chủ yếu điều chỉnh thời gian của trục cam, thay đổi thời điểm van mở và đóng. Ngược lại, VTEC (Honda) không chỉ thay đổi thời gian mà còn điều chỉnh độ mở của van, nghĩa là nó có thể điều chỉnh lượng không khí đi vào xi lanh.
Lợi ích của thời gian van biến thiên
Việc tối ưu hóa việc lấp đầy xi lanh chỉ khi cần thiết mang lại nhiều lợi ích:
Tăng cường hiệu suất động cơ tổng thể: Động cơ hoạt động hiệu quả hơn ở nhiều mức tốc độ khác nhau.
Nâng cao hiệu suất nhiên liệu: Bằng cách tối ưu hóa việc đốt cháy, hệ thống VVT giúp tiết kiệm nhiên liệu.
Tăng công suất: Khi van mở lâu hơn ở mức RPM cao, lượng không khí nhiều hơn vào xi lanh giúp tăng công suất đầu ra.
Mặc dù những tiến bộ này, chưa có nhà sản xuất nào có thể đạt được áp suất khí quyển bên trong xi lanh trong quá trình hút vào một động cơ đầy hút khí tự nhiên.
Để cải thiện hơn nữa việc sạc xi lanh, hệ thống ép buộc như sạc turbocharger, siêu sạc và oxit nitrous (NOS). Các hệ thống này được phân loại là hệ thống dẫn khí bị ép.
(Bài viết được dịch lại – Theo: Dr.mechanics)
