Khảo hệ thống phân phối khí trên động cơ Duratec
LỜI NÓI ĐẦU
Động cơ đốt trong ngày nay đang phát triển rất mạnh mẽ cả về số lượng
lẫn chất lượng, nó đóng một vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực kinh tế, xã
hội, khoa học công nghệ Là nguồn động lực cho các phương tiện vận tải như
ôtô, máy kéo, tàu thuỷ, máy bay và các máy động cơ cở nhỏ v.v
Đối với một sinh viên kỹ thuật, đồ án tốt nghiệp đóng một vai trò rất
quan trọng. Đề tài tốt nghiệp được thầy giao cho em là khảo sát hệ thống phân
phối khí trên động cơ DURATEC. Tuy là một đề tài quen thuộc đối với sinh
viên nhưng mục đích của đề tài rất thiết thực, nó không những giúp cho em có
điều kiện để chuẩn lại các kiến thức đã học ở trường mà còn có thể hiểu biết
kiến thức nhiều hơn khi tiếp xúc với thực tế. Hệ thống phân phối khí của động
cơ DURATEC có nhiều đặc điểm mới lạ. Do đó việc khảo sát động cơ này thật
sự đã đem đến cho em nhiều điều hay và bổ ích.
Được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của thầy Dương Việt Dũng, các
thầy cô trong khoa cùng với việc tìm hiểu, tham khảo các tài liệu liên quan và
vận dụng các kiến thức được học, em đã cố gắng hoàn thành đề tài này. Mặc dù
vậy, do kiến thức của em có hạn lại thiếu kinh nghiệm thực tế nên đồ án sẽ
không tránh khỏi những thiếu sót. Em mong các thầy cô góp ý, chỉ bảo thêm để
kiến thức của em ngày càng hoàn thiện hơn.
Cuối cùng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn cùng
các thầy cô trong khoa và các bạn đã nhiệt tình giúp đỡ để em có thể hoàn
thành đồ án này. Sinh viên thực hiện
1
Khảo hệ thống phân phối khí trên động cơ Duratec
Đào Duy Thanh
1. Tổng quan về hệ thống phân phối khí của động cơ đốt trong:
1.1. Mục đích, phân loại, yêu cầu hệ thống phân phối khí:

đến 150
0
góc quay trục khuỷu. Quá trình thải trong động
cơ hai kỳ chủ yếu dùng không khí quét có áp suất lớn hơn áp suất khí trời để
đẩy sản vật cháy ra ngoài. Ở quá trình này sẽ xảy ra sự hòa trộn giữa không khí
quét với sản vật cháy, đồng thời cũng có các khu vực chết trong xilanh không có
khí quét tới. Chất lượng các quá trình thải sạch sản vật cháy và nạp đầy môi
chất mới trong động cơ hai kỳ chủ yếu phụ thuộc vào đặc điểm của hệ thống
quét thải.
Hiện nay trên động cơ hai kỳ thường sử dụng các hệ thống quét thải sau:
+ Hệ thống quét vòng đặt ngang theo hướng song song:
Được sử dụng chủ yếu trên động cơ hai kỳ cỡ nhỏ.
Đặc điểm: Dùng cácte làm máy nén khí để tạo ra không khí quét. Cửa quét
thường đặt xiên lên hoặc đỉnh piston có kết cấu đặc biệt để dẫn hướng dòng
không khí quét trong xilanh.
+ Hệ thống quét vòng đặt ngang theo hướng lệch tâm:
Thường dùng trên các động cơ hai kỳ có công suất lớn.
Đặc điểm: Cửa quét đặt theo hướng lệch tâm, xiên lên và hợp với đường tâm
xilanh một góc 30
0
, do đó khi dòng không khí quét vào xilanh sẽ theo hướng đi
lên tới nắp xilanh mới vòng xuống cửa thải.
Đây là hệ thống quét thải hoàn hảo nhất, nó cho các chỉ tiêu công tác của
động cơ và áp suất không khí quét lớn.
+ Hệ thống quét vòng đặt ngang phức tạp:
Đặc điểm: Có hai hàng cửa quét, hàng trên đặt cao hơn cửa thải, bên trong có
bố trí van một chiều để sau khi đóng kín cửa thải vẫn có thể nạp thêm môi chất
công tác mới vào hàng lổ phía trên.
3
Khảo hệ thống phân phối khí trên động cơ Duratec

thực hiện bởi cơ cấu cam - xupáp, cơ cấu cam - xupáp được sử dụng rất đa
dạng. Tùy theo cách bố trí xupáp và trục cam, người ta chia cơ cấu phân phối
khí của động cơ bốn kỳ thành nhiều loại khác nhau như cơ cấu phối khí dùng
xupáp treo, cơ cấu phối khí dùng xupáp đặt…
I.3.1. Các phương án bố trí xupáp và dẫn động xupáp:
+ Cơ cấu phân phối khí dùng xupáp đặt:
Xupáp được lắp ở một bên thân máy ngay trên trục cam và được trục cam
dẫn động xupáp thông qua con đội. Xupáp nạp và xupáp thải của các xilanh có
thể bố trí theo nhiều kiểu khác nhau: Bố trí xen kẽ hoặc bố trí theo từng cặp
5
Khảo hệ thống phân phối khí trên động cơ Duratec
một. Khi bố trí từng cặp xupáp cùng tên, các xupáp nạp có thể dùng chung
đường nạp nên làm cho đường nạp trở thành đơn giản hơn.
Hình 1-2 Cơ cấu phân phối khí dùng xupáp đặt.
1 – Trục cam; 2 – Thân máy; 3 – Con đội; 4 – Đế lò xo xupáp; 5 – Lò xo xupáp;
6 – Ống dẫn hướng; 7 – Xupáp; 8 – Bánh răng dẫn động bánh răng cam;
Ưu điểm của phương án này là chiều cao động cơ giảm xuống, kết cấu của
nắp xilanh đơn giản, dẫn động xupáp cũng dễ dàng.
Tuy vậy có khuyết điểm là buồng cháy không gọn, có dung tích lớn. Một
khuyết điểm nữa là đường nạp, thải phải bố trí trên thân máy phức tạp cho việc
đúc và gia công thân máy, đường thải, nạp khó thanh thoát, tổn thất nạp thải
lớn.
+ Cơ cấu phân phối khí dùng xupáp treo:
Xupáp đặt trên nắp máy và được trục cam dẫn động thông qua con đội, đũa
đẩy, đòn bẩy hoặc trục cam dẫn động trực tiếp xupáp.
Khi dùng xupáp treo có ưu điểm: Tạo được buồng cháy gọn, diện tích mặt
truyền nhiệt nhỏ vì vậy giảm được tổn thất nhiệt.
Đường nạp, thải đều bố trí trên nắp xilanh nên có điều kiện thiết kế để dòng
khí lưu thông thanh thoát hơn, đồng thời có thể bố trí xupáp hợp lý nên có thể
tăng được tiết diện lưu thông của dòng khí.

cơ xăng có thể dùng xupáp treo, hay đặt nhưng ngày nay thường dùng hệ thống
phân phối khí kiểu treo. Động cơ sử dụng hệ thống phân phối khí kiểu treo có
hiệu suất nhiệt cao hơn. Dùng hệ thống phân phối khí kiểu treo tuy làm cho kết
cấu quy lát rất phức tạp và dẫn động cũng phức tạp nhưng đạt hiệu quả phân
phối khí rất tốt. Hệ thống phân phối khí xupáp treo chiếm ưu thế tuyệt đối trong
động cơ 4 kỳ.
1.3.2. Phương án bố trí trục cam và dẫn động trục cam:
Trục cam có thể đặt trong hộp trục khuỷu hay trên nắp máy:
8
a) b)
e)
c)
d)
Khảo hệ thống phân phối khí trên động cơ Duratec
Loại trục cam đặt trong hộp trục khuỷu được dẫn động bằng bánh răng cam.
Nếu khoảng cách giữa trục cam với trục khuỷu nhỏ thường chỉ dùng một cặp
bánh răng. Nếu khoảng cách trục lớn, phải dùng thêm các bánh răng trung gian
hoặc dùng xích răng.
Loại trục cam đặt trên nắp máy. Dẫn động trục cam có thể dùng trục trung
gian dẫn động bằng bánh răng côn hoặc dùng xích răng. Khi dùng hệ thống
bánh răng côn cần có ổ chắn dọc trục để chịu lực chiều trục và khống chế độ rơ
dọc trục. Khi trục cam dẫn động trực tiếp xupáp, trục cam được dẫn động qua
ống trượt, trục cam dẫn động qua đòn quay.
Phương án dẫn động bằng bánh răng có ưu điểm rất lớn là kết cấu đơn giản,
do cặp bánh răng phân phối khí thường dùng bánh răng nghiêng nên ăn khớp
êm và bền. Tuy vậy, khi khoảng cách giữa trục cam với trục khuỷu lớn thì
phương án này phải dùng thêm nhiều bánh răng trung gian. Điều đó làm cho
thân máy thêm phức tạp (vì phải lắp nhiều trục để lắp bánh răng trung gian ) và
cơ cấu dẫn động trở nên cồng kềnh, khi làm việc thường có tiếng ồn.
Truyền động bằng xích có nhiều ưu điểm như gọn nhẹ, có thể dẫn động được

Các cổ phải mài bóng, bề mặt có độ cứng đạt 50
÷
60 HRC. Nếu trục cam
lắp luồn thì kích thước cổ phải còn lớn hơn các phần khác của trục cam. Đôi khi
để dễ lắp người ta làm đường kính các cổ khác nhau, cổ có đường kính nhỏ nhất
ở phía cuối trục.
Các ổ trục cam được ép trên thân máy đều là ống thép có tráng hợp kim chịu
mài mòn như ba bít, hợp kim đồng chì, hợp kim nhôm.
Nếu trục cam lắp theo kiểu đặt, phải dùng ổ hai nửa, một nửa đúc trên thân
hay nắp xilanh, nửa kia làm thành nắp ổ rồi lắp lại bằng bulông hay gu giông,
kết cấu này dùng ở động cơ công suất lớn và một số động cơ có trục cam đặt
trên nắp xilanh.
+ Ổ chắn dọc trục:
Để giữ cho trục cam không dịch chuyển theo chiều trục (khi trục cam, thân
máy hoặc nắp xylanh giãn nở) khiến cho khe hở ăn khớp của bánh răng côn và
bánh răng nghiêng dẫn động trục cam thay đổi làm ảnh hưởng đến pha phân
phối khí, người ta phải dùng ổ chắn dọc trục. Trong trường hợp bánh răng dẫn
động trục cam là bánh răng côn hoặc bánh răng nghiêng, ổ chắn phải bố trí ngay
phía sau bánh răng dẫn động. Còn khi dùng bánh răng thẳng, ổ chắn có thể đặt ở
bất kỳ vị trí nào trên trục cam vì trong trường hợp này, trục cam không chịu lực
dọc trục và dù trục cam hay thân máy có giãn nở khác nhau cũng không làm ảnh
hưởng đến pha phân phối khí như trường hợp dùng bánh răng nghiêng và bánh
răng côn.
11
Khảo hệ thống phân phối khí trên động cơ Duratec
Hình 1-7 Kết cấu đầu trục cam.
1 – Vỏ máy; 2 – Bulông hãm bích; 3 – Bích chắn; 4 – Trục cam; 5 – Vòng chắn;
6 - Ổ đỡ trục cam; 7 – Đêm vênh; 8 – Bulông cố định bánh răng dẫn động; 9 –
Then; 10 – Bánh răng dẫn động trục cam.
1.4.2. Con đội:

Con lăn được nhiệt luyện để chịu mài mòn. Cơ cấu con đội con lăn có tác
dụng làm giảm ma sát vì vậy làm giảm được mức tiêu nhiên liệu.
+ Con đội thủy lực: Để tránh hiện tượng có khe hở nhiệt gây ra tiếng ồn và va
đập, trong các xe du lịch cao cấp người ta thường dùng loại con đội thủy lực.
Dùng loại con đội này sẽ không còn tồn tại khe hở nhiệt.
Ngoài ra, dùng con đội thủy lực còn có một ưu điểm đặc biệt là có thể tự
động thay đổi trị số thời gian tiết diện của cơ cấu phân phối khí. Vì khi tốc độ
động cơ tăng lên, do khả năng rò rỉ dầu giảm đi, nên xupáp mở sớm hơn khi
chạy với tốc độ này, điều đó rất có lợi đối với quá trình nạp của động cơ.
13
Khảo hệ thống phân phối khí trên động cơ Duratec
Dùng con đội thủy lực, tuy có nhiều ưu điểm như trên, nhưng điều cần đặc
biệt chú ý là con đội thủy lực làm việc tốt hay xấu phụ thuộc rất nhiều vào chất
lượng của dầu bôi trơn. Vì vậy dầu dùng trong động cơ có con đội thủy lực phải
rất sạch và độ nhớt ổn định, ít thay đổi.
1.4.3. Đũa đẩy:
Nhiệm vụ: Đũa đẩy là chi tiết trung gian trong
cơ cấu phân phối khí dẫn động gián tiếp. Truyền
chuyển động và lực từ con đội đến đòn bẩy.
Kết cấu: Đũa đẩy dùng trong cơ cấu phân phối
khí xupáp treo thường là một thanh thép nhỏ, dài,
đặc hoặc rỗng dùng để truyền lực từ con đội đến
đòn bẩy. Để giảm nhẹ trong lượng, đũa đẩy
thường làm bằng ống thép rỗng hai đầu hàn gắn
với các đầu tiếp xúc hình cầu (đầu tiếp xúc với
con đội) hoặc mặt cầu lõm (đầu tiếp xúc với vít điều chỉnh). Đôi khi cả hai đầu
tiếp xúc của đũa đẩy đều là hình cầu.
Vật liệu chế tạo: Đũa đẩy thường làm bằng thép cácbon thành phần trung
bình, đầu tiếp xúc làm bằng thép cácbon thành phần cácbon thấp, hàn gắn với
đũa đẩy rồi tôi đạt độ cứng HRC 50

nhiệt truyền qua xupáp khi xupáp đóng. Xupáp được làm bằng thép chịu nhiệt
vì xupáp nạp phải chịu nhiệt độ khoảng 400
0
C và xupáp xả phải chịu nhiệt độ
500 – 800
0
C.
Kết cấu xupáp được chia làm 3 phần: Phần nấm, phần thân và phần đuôi.
Phần nấm do chịu tác dụng của áp suất khí thể và chịu tác dụng của lực quán
tính nên khi làm việc chịu va đập lớn gây biến dạng. Phần đuôi có nhiệm vụ
định vị lò xo khi lắp ráp. Để tránh hao mòn thân máy và nắp xilanh người ta
thường ép vào họng đường ống nạp và thải một vòng đế xupáp.
15
a)
Khảo hệ thống phân phối khí trên động cơ Duratec
Vật liệu chế tạo:Miếng tăng cứng là một hợp kim: Cobalt (Co) Crom (Cr) và
Tungsten (W). Hợp kim này rất cứng, chịu được mài mòn cao và chống lại sự
oxy hóa ở nhiệt độ cao. Miếng tăng cứng này được hàn vào mặt xupáp hay đế
xupáp để tăng khả năng chịu nhiệt
Hình 1-12 Kết cấu xupáp.
a) - Nấm bằng; b) – Nấm lõm; d, đ,e) – Nấm lồi; c) – Nấm xupáp được làm
rỗng.
1.4.6. Đế xupáp: Để tránh hao mòn thân máy người ta dùng đế xupáp ép vào
họng của đường ống nạp và đường ống thải.
16
b)
c)
e)
Khảo hệ thống phân phối khí trên động cơ Duratec
Hình 1-13 Kết cấu đế xupáp.

Hình 1-15 Kết cấu lò xo xupáp.
a, b, c) – Lò xo xoắn ốc hình trụ; d) – Lò xo hình côn.
Do lò xo làm việc trong điều kiện tải trọng động thay đổi rất đột ngột. Vì vậy
vật liệu chế tạo lò xo thường dùng là thép C65, C65A…
1.5. Một số cơ cấu phân phối khí hiện đại:
Như chúng ta đã biết, ngày nay với tốc độ phát triển mạnh mẽ của nền khoa
học công nghệ. Các hãng sản xuất ôtô như Honda, Toyota, Ford…đã lần lượt
đưa ra nhiều sản phẩm với nhiều động cơ có những tính năng hiện đại. Một
trong những tính năng đó là việc áp dụng sự điều khiển tự động vào hệ thống
phân phối khí trong động cơ. Với sự điều khiển này sẽ làm thay đổi được góc
18
Khảo hệ thống phân phối khí trên động cơ Duratec
phân phối khí phù hợp với từng dãi tốc độ của động cơ, đảm bảo được yêu cầu
của cuộc sống đặt ra như việc sử dụng động cơ có tính kinh tế cao, tiết kiệm
được lượng nhiên liệu tối thiểu khi sử dụng. Động cơ phải phát huy được hết
công suất ở những dải tốc độ khác nhau. Ngoài ra động cơ khi làm việc cũng
đảm bảo nhiều qui định về mức độ ô nhiễm môi trường của các quốc gia cũng
như yêu cầu về kinh tế của người tiêu dùng. Tuy các biện pháp tiến hành cải
tiến của các hãng sản xuất khác nhau nhưng đều tìm cách điều khiển và chế tạo
các cơ cấu để dẫn động cơ cấu phối khí gần với giá trị tính toán lý thuyết lý
tưởng.
1.5.1. Sự khác nhau giữa cơ cấu phân phối khí hiện đại và cổ điển:
Ngoài những đặc điểm và cấu tạo giống cơ cấu phối khí cổ điển. Cơ cấu phối
khí hiện đại còn có những bộ phận đóng vai trò điều khiển thay đổi thời điểm
đóng mở của xupáp theo tốc độ của động cơ. Nhờ đó mà cơ cấu phối khí hiện
đại luôn luôn làm việc ở điều kiện tối ưu nhất.
Đối với một cơ cấu phân phối khí hiện đại sẽ khác cơ cấu phối khí cổ điển ở
những bộ phận sau: Bộ cảm ứng tốc độ quay, cơ cấu thực hiện thay đổi thời
điểm đóng mở xupáp, hệ thống điều khiển điện tử.
Bộ cảm ứng có nhiệm vụ giám sát sự thay đổi tốc độ quay của động cơ và

3
4
5
6
7
Hình1-16 Hoạt động DOHC-VTEC ở số vòng quay thấp.
1 - Piston A; 2 - Piston B; 3 - Piston chặn; 4 - Đòn bẩy thứ nhất; 5 - Đòn bẩy
trung gian; 6 - Đòn bẩy thứ hai; 7 - Lò xo; 8 - Vấu cam dẫn động ở tốc độ thấp.
20
Khảo hệ thống phân phối khí trên động cơ Duratec
Ở số vòng quay cao: Khi hoạt động ở số vòng quay cao, dưới áp lực của dầu
sẽ đẩy piston A dịch chuyển về bên phải theo hướng mũi tên trên hình. Làm cho
đòn bẩy thứ nhất, thứ hai và đòn bẩy trung gian được nối với nhau thành một
khối chuyển động thống nhất. Tất cả các đòn bẩy di chuyển bởi cam ở tốc độ
cao. Điều đó có nghĩa là các xupáp được điều chỉnh thời điểm và qui luật nâng
khi hoạt động ở tốc độ cao.
5
7
6
2
VÁÚU VAM HOAÛT ÂÄÜNG ÅÍ TÄÚC ÂÄÜ CAO
AÏP SUÁÚT DÁÖU
1
3
4
Hình 1-17 Hoạt động của DOHC-VTEC ở số vòng quay cao.
1 - Piston A; 2 - Piston B; 3 - Piston chặn; 4 - Đòn bẩy thứ nhất; 5 - Đòn bẩy
trung gian; 6 - Đòn bẩy thứ hai; 7 - Lò xo; 8 - Vấu cam dẫn động ở tốc độ cao.
Điều kiện thay đổi từ chế độ vận hành ở tốc độ thấp sang chế độ vận hành ở
tốc độ cao của DOHC là khi số vòng quay của động cơ đạt đến tốc độ lớn hơn

4800 (vòng/phút), và nhiệt độ nước làm mát là 60
0
C.
22
Khảo hệ thống phân phối khí trên động cơ Duratec
5
4
6
7
3
2
1
Hình 1-19 Hoạt động của SOHC-VTEC ở số vòng quay cao.
1 - Piston thuỷ lực A; 2 - Piston thuỷ lực B; 3 - Piston chặn; 4 -
Đòn bẩy thứ nhất; 5 - Đòn bẩy trung gian; 6 - Đòn bẩy thứ hai; 7 -
Lò xo;
Hệ thống điều khiển: Cơ cấu DOHC – VTEC và SOHC – VTEC được điều
khiển bởi các máy tính kiểm tra liên tục tình trạng và những thay đổi trạng thái
làm việc của động cơ như tải trọng, nhiệt độ nước làm mát, số vòng quay động
cơ, tốc độ của xe. Những tín hiệu này được truyền đến bộ vi xử lí để xử lí các
tín hiệu rồi từ đó điều khiển một cách chính xác hoạt động của cơ cấu phân
phối khí của động cơ dưới mọi điều kiện.
1.5.3. Cơ cấu phân phối khí dùng hệ thống điều khiển xoay cam:
Cùng với hãng Toyota, hãng Ford đã đi đầu trong lĩnh vực chú tâm cải tiến
hệ thông phân phối khí và đã cho ra đời nhiều thế hệ ôtô với tính năng hiện đại.
Trong đó có hệ thống điều khiển xoay trục cam nạp hay gọi là hệ thống điều
khiển VVT – i (tên gọi của hãng Toyota). Với hệ thống này nhằm thay đổi góc
phân phối khí của các xupáp phù hợp với từng dãi tốc độ làm việc của động cơ
được ra đời trong nhưng năm gần đây và sử dụng rộng rãi ở Việt Nam trên các
loại xe như: Camry, Corolla Altis, Vios, Escape, Transit…

chính xác cao. Hệ thông điều khiển phức tạp. Việc bảo quản, sữa chữa khó
khăn, giá thành cao.
24
Khảo hệ thống phân phối khí trên động cơ Duratec
2. Khảo sát và tính toán hệ thống phân phối khí trong động cơ Duratec:
2.1. Giới thiệu động cơ Duratec:
Động cơ Duratec do hãng Ford sản xuất, được lắp trên xe Escape 2.3L.
Escape 2.3L là xe du lịch một phiên bản hoàn toàn mới của làn xe Escape nói
chung. Xe được thiết kế 2 cầu chủ động (4 x 4). Cùng với các trang thiết bị tiêu
chuẩn là những cải tiến về các trang thiết bị nội, ngoại thất làm cho Escape 2.3L
có những tính năng vượt trội so với các dòng xe đương thời. Về ngoại thất, cụm
đèn pha theo dạng chóa đèn màu đen mới mang lại tầm nhìn tốt hơn cho người
điều khiển. Bên trong cabin, bảng điều khiển trung tâm với vòng tròn bạc viền
quanh cụm đồng hồ cùng với ánh sáng xanh của các nút điều khiển giúp người
lái dễ dàng quan sát đảm bảo tính an toàn khi điều khiển xe. Hệ thống phanh đĩa
bốn bánh kết hợp với hệ thống chống bó cứng ABS cùng với hệ thống phân
phối lực phanh điện tử EBD. Hai túi khí cùng dây đai an toàn đảm bảo an toàn
tối đa cho người lái và hành khách khi xảy ra va chạm…
Hơn hết xe được trang bị động cơ Duratec, một trong những động cơ có tính
năng vượt trội so với những động cơ đương thời. Duratec là động cơ xăng với 4
xilanh được đặt thẳng hàng, 16 xupáp. Các xupáp đựợc dẫn động trực tiếp từ
cam. Cam được đặt trên nắp máy, gồm 2 trục cam dẫn động xupáp (DOHC).
Duratec 2.3L tích hợp hệ thống điều khiển van biến thiên VCT (Variable Cam
Timing) cho phép tối ưu hóa thời gian, thời điểm, góc đóng mở của xupáp làm
tăng công suất động cơ, tiết kiệm được nhiên liệu.
Bên cạnh đó động cơ còn tích hợp hệ thống xúc tác lọc khí thải, hệ thống
đóng mở cửa gió thứ cấp VICS (Variable Inertia Charging System) và hệ thống
van điều khiển tạo xoáy dòng khí nạp TSCV (Tumble Swirl Control Valve).
Dùng hệ thống phun xăng điện tử theo chu kỳ. Với những cải tiến này mang lại
cho động cơ hoạt động tốt nhất ở mọi chế độ làm việc.