Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU 1
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 em chọn là “Phân tích kết cấu của một số cơ cấu phối khí hiện đại và tính
toán, kiểm nghiệm cơ cấu phân phối khí của động cơ 1ZZ-EF trên xeInova ” 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 ôn lại các kiến thức đã học ở trường mà còn có
thể hiểu biết kiến thức nhiều hơn khi tiếp xúc với thực tế. Cơ cấu phân phối khí của động
cơ 1ZZ-EF có nhiều đặc điểm mới lạ. Do đó việc thiết kế 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 Bùi Hà Trung 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.
Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 1
Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF
Cuối cùng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn " Bùi Hà Trung ”
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
Trịnh Văn Tùng
Lê Văn Ước
I. Mục đích và ý nghĩa của đề tài:

- Độ mở phải đủ lớn để dòng khí dễ lưu thông
- Các xupap phải kín khít, tránh để lọt khí trong quá trình nén và giản nở.
- Hệ thống phải làm việc êm dịu, tin cậy, công chi phí thấp.
c. Điều kiện làm việc :
Trong quá trình làm việc, mặt nấm xupap chịu phụ tải động và phụ tải nhiệt rất lớn. Lực
khí thể tác dụng trên diện tích mặt nấm xupap có thể lên đến 10.000 đến 20.000 N,trong
động cơ cường hóa và tăng áp, lực này có thể tăng đến 30.000 N.Hơn nữa mặt nấm xupap
luôn luôn va đập mạnh với đế xupap nên rất dễ biến dạng. Do xupap trực tiếp tiếp xúc
với khí cháy nên xupap còn phải chịu nhiệt độ rất cao. Nhiệt độ của xupap thải trong
động cơ xăng thường đạt 800-850
0
C, trong động cơ diezel là 500-600
0
C. Nhất là trong
kỳ thải, nấm và thân xupap phải tiếp xúc với dòng khí thải có nhiệt độ rất cao, vào
khoảng 700-900
0
C đối với động cơ diezel còn ở động cơ xăng thì cao hơn 1100-1200
0
C.
Hơn nữa tốc độ dòng khí thải rất lớn, mới bắt đầu thải có thể đạt được 400-600 m/s nên
khiến cho xupap nhất là xupap xả thường dễ bị quá nóng và bị dòng khí ăn mòn. Ngoài ra
trong nhiên liệu có lưu huỳnh nên khi cháy tạo axit ăn mòn mặt nấm xupap. Vì vậy vật
Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 3
Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF
liệu dùng để chế tạo xupap phải có sức bền cơ học cao, chịu nhiệt tốt, chống được ăn
mòn hóa học và hiện tượng xâm thực của dòng khí thải có nhiệt độ cao.
Tăng tổn thất khí động. Do có nhiều hạn chế nên người ta chỉ sử dung phương án
này cho các loại động cơ xăng có tỉ số nén thấp (<7,5) và số vòng quay không cao lắm.
2.2. Cơ cấu phân phối khí cổ điển:

+ Làm việc ít tiếng ồn, có độ chính xác cao.
- Nhược điểm:
+ Cơ cấu dẫn động trục cam phức tạp, yêu cầu độ chính xác chế tạo và lắp ghép
Hình 2.2- Kết cấu xupáp treo dẫn động trực tiếp;
1-Xupáp; 2-Ống dẫn hướng; 3-lò xo xupáp; 4-Đĩa lò xo;
5-Con đội; 6-Cam; 7-Móng hãm; 8-Đế xupáp
2.2.3. Cơ cấu phân phối khí có xupap đứng (xupap đặt):
Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 5
8
7
1
2
3
6
4
5
Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF
Cơ cấu phân phối khí có xupap đứng trình bầy trên hình 1.2, loại này thường dùng ở
máy xăng.
Hình 2.3 Cơ cấu phân phối khí có xupap đứng.
1 –đế xupap; 2 – xupap; 3- ống dẫn huớng xupap; 4 – lò xo xupap;5– móng
hãm hình côn; 6 – đĩa chặn lò xo; 7 – bulông điều chỉnh;; 8– con đội; 9– trục cam.
Ở đây không có đũa đẩy, đòn gánh, con đội 8 trực tiếp truyền động cho xupap 2. Thay
đổi chiều cao tuyệt đối của con đội bằng bu lông 7 và ốc hãm sẽ điều chỉnh được khe hở
nhiệt. Loại hệ thống nạp xả có xupap đứng này làm tăng diện tích buồng đốt nhưng ít chi
tiết hơn so với loại xupap treo do đó độ tin cậy khi làm việc của loại này cao hơn hệ
thống nạp xả có xupap treo. Và an toàn hơn loại xupap treo, vì giả sử móng hãm xupap
có tuột ra, xupap cũng không rơi vào xylanh, không gây hư hỏng cho piston, xylanh đặc
biệt khi khi động cơ đang làm việc.
2.2.4. Nhược điểm của cơ cấu phân phối khí cổ điển:

b). Cấu tạo
Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 8
Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF
Hình 2. 5 Cấu tạo hệ thống VVT-I.
- Bộ điều khiển VVT-I: Bao gồm một bộ vỏ được dẫn động bằng xích cam và các cánh
gạt được cố định trên trục cam. Áp suất dầu được gửi từ phía làm sớm hay làm muộn làm
quay các cánh gạt điều khiển trục cam thay đổi liên tục thời điểm phối khí của trục cam
nạp. Khi động cơ ngừng hoạt động trục cam nạp sẽ chuyển động đến thời điểm muộn
nhất để duy trì khả năng khởi động. Chốt hãm có tác dụng hãm các cơ cấu của hệ thống
VVT-I làm giảm tiếng gõ khi hệ thống ngừng hoạt động.
- Van điều khiển phối khí trục cam: Theo sự điều khiển của ECU điều khiển vị trí của
van ống phân phối áp suất dầu cấp cho VVT-I.
c) Hoạt động
Hệ thống VVT-I gồm ba hoạt động chính:làm sớm thời điểm phối khí, làm muộn thời
điểm phối khí, và giữ nguyên vị trí trục cam.
Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 9
Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF
- Làm sớm thời điểm phối khí: Khi van điều khiển dầu phối khí ở vị trí như trên hình
vẽ áp suất dầu tác dụng lên khoang cánh gạt phía làm sớm thời điểm phối khí.
Hình 2.6 Làm sớm thời điểm phối khí.
- Làm muộn thời điểm phối khí: Khi van điều khiển dầu phối khí ở vị trí như trên hình
vẽ áp suất dầu tác dụng lên khoang cánh gạt phía làm muộn thời điểm phối khí
Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 10
Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF
Hình 2.7. Làm muộn thời điểm phối khí.
- Giữ nguyên thời điểm phối khí:
Hình 2.9. Giữ thời điểm phối khí
Khi ECU tính toán góc phối khí chuẩn theo tình trạng làm việc hiện hành. Van điều
khiển dầu phối khí trục cam duy trì đường dầu đóng
2.3. 2 Cơ cấu điều khiển hành trình xuppáp (Hệ thống VVTL-I).

> 6000v/p, nhiệt độ nước làm mát cao hơn 60
o
c): Phía xả của van
điều khiển dầu được đóng lại, áp suất dầu tác dụng lên phía cam tốc độ cao của cơ cấu
Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 13
Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF
chuyển vấu cam. Áp suất dầu ấn chốt hãm bên dưới chốt đệm và cò mổ giữ chốt đệm và
cò mổ. Cam tốc độ cao tác dụng cò mổ trước khi cam tốc độ thấp và trung bình tác dụng
đến con lăn. Lúc này xup páp được dẫn động bằng cam tốc độ cao.
Hình 2.12 Hoạt động tại tốc độ cao
III. tính toán và kiểm ngiệm hệ thống phối khí động cơ TOYOTA 1ZZ-EF
Động cơ 1ZZ-EF do hãng TOYOTA sản xuất, được lắp trên xe TOYOTA COROLA
ASTIT. 1ZZ-EF 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
Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 14
Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF
xupáp (DOHC). Z6 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. 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.
`
Hình 3-1 Mặt cắt động cơ 1ZZ-EF
1 – Các te; 2 – Lọc dầu bôi trơn; 3 - Ống dẫn dầu bôi trơn; 4 – Trục khuỷu; 5 – Bánh xích
đầu trục khuỷu; 6 – Buly trục khuỷu; 7 – Xích dẫn động; 8 – Bánh xích dẫn động trục
cam; 9 – Trục cam; 10 – Đường dẫn dầu bôi trơn; 11 – Xupáp; 12 – Con đội; 13 – Đĩa
chặn lò xo; 14 – Lò xo xupáp; 15 - Ống dẫn hướng; 16 – Xilanh; 17 – Đế xupáp; 18 –
Xéc măng; 19 – Chốt piston; 20 – Thanh truyền; 21 – Phớt chắn dầu; 22 – Đuôi trục
khuỷu; 23 – Đai ốc; 24 – Bạc lót; 25 – Chốt khuỷu; 26 –Cổ trục khuỷu.
3.1. Các chi tiết của hệ thống cơ cấu phân phối khí động cơ TOYOTA 1ZZ-EF
Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 15

làm cho buồng cháy động cơ nhỏ gọn, diện tích mặt truyền nhiệt nhỏ vì vậy giảm được
tổn thất nhiệt. Khả năng chống kích nổ được cải thiện nhiều nên có thể tăng tỷ số nén lên
0,5
÷
2 so với khi dùng cơ cấu phân phối khí xupáp đặt. Cơ cấu phân phối khí dùng
xupáp treo làm cho đường thải và đường nạp thanh thoát hơn làm cho sức cản khí động
giảm nhỏ. Mỗi xilanh của động cơ được bố trí bởi 4 xupáp (2 hút, 2 xả) làm tăng diện
tích tiết diện lưu thông, hệ số nạp tăng lên 5
÷
7% và giảm được đường kính nấm xupáp,
khiến cho các xupáp không bị quá nóng và tăng được sức bền. Các xupáp được bố trí
thành 2 dãy (một dãy xupáp nạp và một dãy xupáp xả). Các đường ống nạp và ống thải
bố trí về một phía để ống thải có thể sấy nóng ống nạp khiến nhiên liệu dễ bay hơi.
* Nguyên lý làm việc: Nguyên lý làm việc của cơ cấu phân phối khí được chia làm
hai quá trình cơ bản sau: Quá trình vấu cam đẩy mở xupáp và quá trình lò xo giãn đóng
kín xupáp.
Quá trình vấu cam đẩy mở xupáp: Khi động cơ làm việc trục khuỷu quay làm cho
bánh xích dẫn động cơ cấu phân phối khí lắp ở đầu trục khuỷu quay theo, thông qua bộ
truyền động xích trung gian (6) dẫn động các bánh xích (10) lắp ở đầu các trục cam do đó
làm cho các trục cam đóng mở xupáp quay. Khi các vấu cam tiếp xúc với con đội (13).
Con đội bắt đầu chuyển động đi xuống tác động vào đuôi xupáp (4) ép lò xo xupáp (15)
nén lại đồng thời xupáp chuyển động đi xuống làm mở các cửa nạp (nếu trong giai đoạn
nạp khí vào xilanh động cơ) và cửa thải (trong quá trình thải) thực hiện quá trình nạp môi
chất mới và thải khí cháy ra ngoài.
Quá trình lò xo giãn đóng kín xupáp: Khi trục cam tiếp tục quay, vấu cam di chuyển
theo cho đến khi đỉnh của vấu cam vượt qua đường tâm con đội. Lúc này con đội (13) bắt
đầu di chuyển đi lên, lò xo xupáp (15) từ từ giãn ra nhờ vào đế chặn lò xo (14) cùng với
các móng hãm (16) đẩy xupáp tịnh tiến về vị trí ban đầu thực hiện quá trình đóng kín
xupáp. Chu trình đóng mở được lặp đi lặp lại như vậy tuân theo chu kì làm việc của pha
phân phối khí.

tiếng ồn. Loại dẫn động này có nhiều ưu điểm như: Kết cấu gọn nhẹ, có thể dẫn động
được trục cam ở khoảng cách lớn. Tuy nhiên dùng phương án dẫn động này giá thành
cao. Hơn nữa khi phụ tải và tốc độ thay đổi đột ngột xích dễ bị rung động. Sau một thời
Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 17
Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF
gian sử dụng xích thường bị rơ gây nên tiếng ồn và làm sai lệch pha phân phối khí. Để
giữ cho xích luôn được căng phải dùng thêm cơ cấu căng xích. Để chống rung dùng thêm
bộ dẫn hướng cho xích.
Bánh răng dẫn động xích được lắp ở đầu trục khuỷu. Phía đầu trục khuỷu có biên độ
dao động xoắn lớn vì vậy khi lắp theo kiểu này làm cho hệ thống phân phối khí chịu dao
dộng xoắn làm sai lệch pha phân phối và chịu tải trọng phụ do dao động đó gây nên.
Ngoài ra khi trục cam bị ảnh hưởng của dao động xoắn thì góc phun sớm hoặc góc đánh
lửa sớm cũng bị ảnh hưởng. Tuy vậy khi lắp bánh răng ở đuôi trục khuỷu sẽ làm cho kết
cấu dẫn động trở nên phức tạp.
Hình 3-3 Dẫn động trục cam.
1 - Lò xo vấu hãm; 2 – Vấu hãm; 3 – Piston; 4 – Lò xo; 5 – Van bi; 6 – Đĩa xích dẫn
động trục cam nạp; 7 – Đĩa xích dẫn động cam thải; 8 – Bộ căng xích; 9 – Đĩa xích chủ
động; 10 – Xích dẫn động; 11 – Thanh dẫn hướng.
* Nguyên lý làm việc của bộ căng xích: Khi động cơ bắt đầu hoạt động, xích dẫn động
làm việc và căng theo. Trong quá trình hoạt động lâu dài các mắt xích sẽ bị mòn làm cho
độ chùng của xích tăng lên vượt quá giới hạn cho phép. Khi xích chùng đến giới hạn đó
dầu có áp suất cao được đưa vào qua van bi. Dưới áp lực dầu, piston bị ép về phía bên
Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 18
Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF
phải đẩy thanh dẫn hướng xích đi theo và xích được căng ra. Trên piston có khía rãnh,
các khía rãnh này ăn khớp với rãnh trên chốt hãm. Nhờ đó piston sẽ được giữ lại tại vị trí
có độ chùng cho phép khi áp lực dầu không. còn tác dụng. Muốn cho piston trở lại vị trí
ban đầu ta nới lỏng chốt hãm cho piston
trượt trên các rãnh của chốt hãm nhờ vào lực lò xo.
3.1.3. Kết cấu xupáp:

Ø5.5
4
5
°
Ø5.5
Ø 28
Ø 25
2 2
1.4
1.4
90
90
Hình 3-4 Kết cấu xupáp nạp và xả.
* Phần nấm:
Kết cấu của nấm xupáp chẳng những có ảnh hưởng quyết định đến giá thành chế tạo
xupáp mà còn ảnh hưởng đến độ bền, trọng lượng và tình trạng của dòng khí lưu động
qua họng đế xupáp nữa. Nấm xupáp của động cơ Z6 được ta chọn là loại nấm bằng. Ưu
điểm của loại này là đơn giản dễ chế tạo, có thể dùng cho cả xupáp xả và xupáp nạp.
Mặt làm việc quan trọng của phần nấm là mặt côn có góc độ
α
= 15
÷
45
0
, ta chọn
góc độ
=
α
45
0

Chiều dày của nấm xupáp nạp bằng (0,08
÷
0,12) d
nn
= 2 (mm).
Chiều dày của nấm xupáp xả bằng (0,08
÷
0,12) d
nt
= 2 (mm).
* Phần thân xupáp:
Thân xupáp có đường kính thích đáng để dẫn hướng tốt, tản nhiệt tốt và chịu được lực
nghiêng khi xupáp đóng mở. Để giảm nhiệt độ cho xupáp người ta có xu hướng tăng
đường kính của thân xupáp và kéo dài ống dẫn hướng đến gần nấm xupáp. Nhưng do
phải đảm bảo tiết diện lưu thông và gọn nhẹ nên thân xupáp cũng không thể làm quá lớn
Thân xupáp nạp và thải có dạng hình trụ dài. Chỗ chuyển tiếp giữa thân và nấm có
góc lượn
Đường kính thân xupáp nạp: d
tn
= (0,16
÷
0,25) d
n
= 0,198.28 = 5,5 (mm).
Đường kính thân xupáp xả: d
tt
= (0,16
÷
0,25) d
n

Móng hãm được chế tạo dạng hình côn
Kiểu lắp dùng móng hãm có ưu điểm lớn là không gây nên ứng suất tập trung trên
đuôi xupáp. Tuy vậy việc gia công móng hãm rất khó khăn.
3.1.4. Đế xupáp:
Cơ cấu phân phối khí của động cơ đang thiết kế dùng xupáp treo, đường thải và
đường nạp bố trí trong nắp xilanh. Để giảm hao mòn cho thân máy và nắp xi lanh khi
chịu lực va đập của xupáp, người ta dùng đế xupáp ép vào họng đường thải và đường
nạp. Vì thân máy và nắp xilanh được chế tạo bằng hợp kim nhôm nên đế xupáp được ép
cho cả đường nạp và đường thải.
Mặt ngoài của đế là hình trụ trên có vát mặt côn để tiếp xúc với mặt côn của nấm
xupáp. Đế được chế tạo bằng thép hợp kim chịu mài mòn.
Đường kính họng đế xupáp nạp d
hn
= 29,12 (mm).
Đường kính họng đế xupáp xả d
ht
= 24,74 (mm).
Chiều cao của đế xupáp nạp h
n
= (0,18
÷
0,25) d
h
= 0,25.29,12 = 7,28 (mm).
Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 22
Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF
Chiều cao của đế xupáp xả h
t
= (0,18
÷

khoảng (1,75
÷
2,5) d
n
với d
n
là đường kính nấm xupáp.
Chiều dài ống dẫn hướng đối với xupáp nạp: l
n
= 2.28 = 56 (mm).
Chiều dài ống dẫn hướng đối với xupáp xả: l
t
= 2,15.25 = 53,75(mm).
Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 23
Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF
a)
b)
Ø5.53
Ø5.53
55.6
53.1
Hình 3-7 Kết cấu ống dẫn hướng.
a) - Ống dẫn hướng xupáp nạp; b) - Ống dẫn hướng xupáp xả.
Một đầu của ống dẫn hướng được vát côn để việc lắp ghép được dễ dàng.
3.1.6. Lò xo xupáp:
Lò xo xupáp dùng để đóng kín xupáp trên đế xupáp và đảm bảo xupáp chuyển động
theo đúng quy luật của cam phân phối khí, do đó trong quá trình mở đóng xupáp không
có hiện tượng va đập trên mặt cam. Lò xo chịu tải trọng thay đổi theo chu kỳ và chịu dao
động.Vật liệu chế tạo lò xo xupáp thường dùng dây thép có đường kính 3
÷