Lịch sử ra đời của động cơ VTEC

Động cơ VTEC (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control) là một công nghệ tiên tiến trong động cơ đốt trong, được Honda phát triển vào những năm 1980. Công nghệ này cho phép thay đổi thời điểm và độ nâng của van nạp và van xả, giúp tăng hiệu suất động cơ, tiết kiệm nhiên liệu và giảm lượng khí thải. Ý tưởng ban đầu của động cơ VTEC được hình thành từ những năm 1960, khi các kỹ sư của Honda nhận ra rằng động cơ có thể đạt được hiệu suất cao hơn nếu thời điểm và độ nâng của van được thay đổi theo điều kiện vận hành. Tuy nhiên, việc thực hiện ý tưởng này gặp phải nhiều khó khăn về mặt kỹ thuật.

Lịch sử hình thành và phát triển của động cơ VTEC

Nhật Bản đánh thuế dựa trên dung tích động cơ, và các nhà sản xuất ô tô Nhật Bản đã tập trung nỗ lực nghiên cứu và phát triển tương ứng để cải thiện hiệu suất của các thiết kế động cơ nhỏ hơn của họ. Một phương pháp để tăng hiệu suất khi chuyển sang trạng thái chuyển động tĩnh bao gồm nạp cưỡng bức, chẳng hạn như với các mẫu xe như Toyota Supra và Nissan 300ZX đã sử dụng ứng dụng bộ tăng áp và Toyota MR2 đã sử dụng bộ siêu nạp trong một số mẫu xe. Một cách tiếp cận khác là động cơ quay được sử dụng trong Mazda RX-7 và RX-8. Tùy chọn thứ ba là thay đổi cấu hình định thời cam, trong đó Honda VTEC là thiết kế thương mại thành công đầu tiên để thay đổi cấu hình trong thời gian thực.

Điều khiển điện tử định thời và nâng van biến thiên, hay VTEC®, ra mắt vào cuối những năm 1980 như một cách để khai thác mã lực và mô-men xoắn cực đại từ các động cơ dung tích nhỏ hơn mà không cần sử dụng tăng áp. Là công nghệ nâng và điều phối van biến thiên thực tế, đáng tin cậy và thành công về mặt thương mại đầu tiên, VTEC đã thúc đẩy phong trào toàn ngành sử dụng điều khiển van biến thiên trong động cơ.

Động cơ Honda K24A Engine i-VTEC

Hệ thống VTEC cung cấp cho động cơ thời gian đóng mở van được tối ưu hóa cho cả hoạt động RPM thấp và cao. Ở dạng cơ bản, thùy cam đơn và con đội/đòn bẩy (cò mổ) của động cơ thông thường được thay thế bằng cánh tay đòn nhiều phần có khóa và hai biên dạng cam: một chiếc được tối ưu hóa để đạt được độ ổn định ở vòng tua máy thấp và tiết kiệm nhiên liệu, còn chiếc kia được thiết kế để tối đa hóa công suất đầu ra ở vòng tua máy cao. Hoạt động chuyển đổi giữa hai thùy cam được điều khiển bởi ECU, có tính đến áp suất dầu động cơ, nhiệt độ động cơ, tốc độ xe, tốc độ động cơ và vị trí bướm ga. Sử dụng các đầu vào này, ECU được lập trình để chuyển từ cam nâng thấp sang cam nâng cao khi đáp ứng một số điều kiện nhất định. Tại điểm chuyển đổi, một cuộn điện từ được kích hoạt cho phép áp suất dầu từ van ống chỉ spool vận hành chốt khóa liên kết cò mổ RPM cao với cò mổ RPM thấp. Kể từ thời điểm này, các van đóng mở theo biên dạng nâng cao, giúp mở van xa hơn và trong thời gian dài hơn. Điểm chuyển đổi có thể thay đổi, giữa điểm tối thiểu và điểm tối đa, và được xác định bởi tải của động cơ. Việc chuyển đổi ngược từ cam RPM cao xuống thấp được thiết lập để xảy ra ở tốc độ động cơ thấp hơn so với chuyển đổi lên để tránh tình huống trong đó động cơ được yêu cầu hoạt động liên tục tại hoặc xung quanh điểm chuyển đổi.

Cách tiếp cận cũ hơn để điều chỉnh thời gian là tạo ra một trục cam có cấu hình thời gian của van phù hợp hơn với hoạt động ở tốc độ RPM thấp. Những cải tiến về hiệu suất RPM thấp, vốn là nơi mà hầu hết ô tô chạy trên đường phố hoạt động trong phần lớn thời gian, xảy ra để đổi lấy sự mất mát về năng lượng và hiệu quả ở các dải RPM cao hơn. Tương ứng, VTEC cố gắng kết hợp tính ổn định và tiết kiệm nhiên liệu ở vòng tua máy thấp với hiệu suất ở vòng tua máy cao.

Nguyên lý hoạt động của động cơ VTEC

Động cơ VTEC hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi thời điểm và độ nâng của van nạp và van xả để tối ưu hóa hiệu suất động cơ. Điều này được thực hiện thông qua việc sử dụng cam đôi (dual cam) để điều khiển van nạp và van xả.

Ở chế độ hoạt động bình thường, cam đôi sẽ hoạt động như một cam đơn, điều khiển van nạp và van xả theo thời điểm và độ nâng cố định. Điều này giúp động cơ hoạt động ổn định và tiết kiệm nhiên liệu trong điều kiện vận hành thông thường.

Tuy nhiên, khi tốc độ xe tăng lên và động cơ cần thêm công suất, hệ thống VTEC sẽ kích hoạt chế độ hoạt động kép (dual mode). Lúc này, cam đôi sẽ điều khiển van nạp và van xả theo thời điểm và độ nâng khác nhau, giúp tăng hiệu suất động cơ và tạo ra một lượng khí thải ít hơn.

Những loại động cơ VTEC phổ biến hiện nay

Hiện nay, Honda đã áp dụng công nghệ VTEC trên nhiều loại động cơ khác nhau, từ động cơ 4 xi lanh cho đến động cơ V6 và V8. Các loại động cơ VTEC phổ biến nhất hiện nay bao gồm:

Động cơ VTEC-E

Động cơ VTEC-E (Economy) được thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu. Hệ thống VTEC-E sử dụng một cam đơn để điều khiển van nạp và van xả, nhưng có thể thay đổi thời điểm và độ nâng của van để tối ưu hóa hiệu suất. Điều này giúp động cơ hoạt động mượt mà và tiết kiệm nhiên liệu hơn trong điều kiện vận hành thông thường.

Động cơ VTEC-T

Động cơ VTEC-T (Turbocharged) là sự kết hợp giữa công nghệ VTEC và động cơ tăng áp. Hệ thống VTEC-T sử dụng một cam đôi để điều khiển van nạp và van xả, kết hợp với một động cơ tăng áp để tăng hiệu suất và công suất. Điều này giúp các mẫu xe Honda như Civic Type R và Accord 2.0T trở thành những mẫu xe có hiệu suất cao và khả năng tăng tốc nhanh chóng.

Động cơ VTEC-i

Động cơ VTEC-i (intelligent) là sự kết hợp giữa công nghệ VTEC và hệ thống phun xăng điện tử. Hệ thống VTEC-i cho phép điều chỉnh thời gian và độ nâng của van nạp và van xả một cách linh hoạt, kết hợp với hệ thống phun xăng điện tử để tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu. Điều này giúp các mẫu xe Honda như Civic, CR-V và HR-V trở thành những mẫu xe có hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu tốt nhất trong phân khúc.

Ưu điểm và nhược điểm của động cơ VTEC

Ưu điểm

• Tăng hiệu suất và công suất: Công nghệ VTEC cho phép tăng hiệu suất và công suất của động cơ bằng cách thay đổi thời điểm và độ nâng của van.
• Tiết kiệm nhiên liệu: Khi hoạt động ở chế độ bình thường, động cơ VTEC sử dụng cam đơn để điều khiển van, giúp tiết kiệm nhiên liệu.
• Giảm lượng khí thải: Việc tăng hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu cũng đồng nghĩa với việc giảm lượng khí thải ra môi trường.
• Hiệu quả trong điều kiện vận hành khác nhau: Hệ thống VTEC cho phép điều chỉnh thời gian và độ nâng của van theo điều kiện vận hành, giúp động cơ hoạt động hiệu quả trong mọi tình huống.

Nhược điểm

• Đòi hỏi kỹ thuật cao: Việc thiết kế và sản xuất động cơ VTEC đòi hỏi kỹ thuật cao và chi phí đầu tư lớn.
• Phức tạp và dễ hỏng: Hệ thống VTEC có nhiều bộ phận và cơ chế hoạt động phức tạp, dễ gây ra sự cố và hỏng hóc.
• Không phù hợp với mọi loại động cơ: Công nghệ VTEC chỉ phù hợp với những động cơ có kiểu truyền động cam trục trên đầu (SOHC) hoặc cam kép trên đầu (DOHC).

So sánh động cơ VTEC với các loại động cơ khác

Động cơ VTEC là một công nghệ tiên tiến và được đánh giá cao trong ngành công nghiệp ô tô. Tuy nhiên, nó cũng có những ưu và nhược điểm so với các loại động cơ khác.

So với động cơ DOHC

Động cơ DOHC (Double Overhead Camshaft) là loại động cơ có hai trục cam trên đầu, một trục điều khiển van nạp và một trục điều khiển van xả. So với động cơ VTEC, động cơ DOHC có thể tăng hiệu suất và công suất tốt hơn nhờ vào việc sử dụng hai trục cam trên đầu. Tuy nhiên, động cơ DOHC không có khả năng điều chỉnh thời gian và độ nâng của van như động cơ VTEC, do đó không thể tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu như VTEC.

So với động cơ tăng áp

Động cơ tăng áp (Turbocharged) là loại động cơ được trang bị thêm một máy nén khí để tăng áp cho khí nạp vào động cơ. So với động cơ VTEC, động cơ tăng áp có thể tạo ra công suất lớn hơn nhờ vào áp suất khí nạp cao hơn. Tuy nhiên, động cơ tăng áp cũng có nhược điểm là tăng áp có thể gây ra sự cố và hao mòn nhanh hơn cho động cơ.