MỞ ĐẦU
1.Lý do chọn đề tài
Bước vào thế kỷ XXI, nhờ những thành tựu của khoa học kỹ thuật đã làm
chuyển biến mạnh mẽ cơ cấu kinh tế của các quốc gia và làm thay đổi sâu sắc
mọi mặt của đời sống xã hội loài người. Khoa học công nghệ luôn đóng vai trò
quan trọng trong việc phát triển kinh tế. Là một quốc gia đang trên đà phát triển,
Việt Nam cần phải áp dụng các thành tựu của khoa học công nghệ vào việc phát
triển kinh tế đất nước, đẩy nhanh quá trình CNH-HĐH đất nước bắt kịp được với
các nước phát triển trên thế giới .
Hiện nay khi mà các nguồn năng lượng như: Năng lượng mặt trời, gió, hạt
nhân… chưa thực sự phổ biến vì những nhược điểm về kinh tế, công nghệ, môi
trường…thì nguồn năng lượng phổ biến nhất trên thế giới được sử dụng hiện nay
được lấy từ dầu mỏ. Đi song song với việc sử dụng nguồn năng lượng này là
những ngành phát triển về động cơ đốt trong. Tuy nhiên vấn đề lớn nhất đối với
sử dụng động cơ đốt trong hiện nay là gây ra ô nhiễm môi trường. Vì vậy để
động cơ đốt trong có hiệu suất sử dụng tối ưu, giảm lượng khí thải thì cần phải
quan tâm đến rất nhiều vấn đề trong đó có cơ cấu phân phối khí trong động cơ
đốt trong. Hệ thống phân phối khí được đóng vai trò như một lá phổi của động
cơ, nó cung cấp dưỡng khí và năng lượng đến các bộ phận đảm bảo sự hoạt động
của động cơ. Trong quá trình học tập nhận biết được sự quan trọng và tính cấp
thiết như vậy, tuy nhiên việc nghiên cứu hệ thống phân phối khí vẫn chưa có
nhiều. Vì vậy em mạnh dạn đi tìm hiều và nghiên cứu sâu hơn về đề tài : “ phân
phối khí trong động cơ đốt trong và các giải pháp xử lý khi thiết kế và chế
tạo’’. Đề tài không chỉ giúp cho chúng em tiếp cận với thực tế mà còn tạo nguồn
tài liệu tham khảo và học tập cho các sinh viên khóa sau.
1
2. Mục đích nghiên cứu
Nâng cao kiến thức kỹ thuật về hệ thống phân phối khí trong động cơ đốt
Nghiên cứu lý thuyết.
7. Cấu trúc khóa luận
Gồm 2 chương
Chương 1:
Tổng quan về hệ thống phân phối khí trong động cơ đốt trong.
Chương 2:
Các giải pháp xử lý khi thiết kế và chế tạo các bộ phận của cơ cấu phân phối khí.
2
NỘI DUNG
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÍ CỦA ĐỘNG
CƠ ĐỐT TRONG
1. Mục đích, yêu cầu, phân loại hệ thống phân phối khí:
1.1. Mục đích:
Đóng mở các cửa nạp, thải đúng lúc để động cơ thực hiện quá trình nạp khí
mới vào xi lanh và thải khí đã cháy trong xi lanh ra ngoài.
1.2. Yêu cầu:
- Đảm bảo thải sạch và nạp đầy.
- Các xupáp đóng mở phải đúng thời điểm quy định.
- Độ mở phải lớn để dòng khí dễ lưu thông.
- Các xupáp phải kín khít, tránh để lọt khí trong quá trình nén và giãn nở.
- Hệ thống phải làm việc êm dịu, tin cậy, công chi phí thấp.
1.3. Phân loại:
Cơ cấu phân phối khí dùng xupáp: Là loại cơ cấu được sử dụng rộng rãi
trong động cơ 4 kỳ vì nó có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, dễ điều chỉnh và làm
việc chính xác hiệu quả, mang lại hiệu suất cao.
Cơ cấu phối khí dùng van trượt: Là loại cơ cấu có nhiều ưu điểm như tiết
4
+ 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 300, do đó khi dòng khí quét vào xilanh sẽ theo hướng đi lên
tới nắp xilanh mới vòng xuống cửa thải.
+ 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 lỗ phía trên. Áp suất khí quét lớn nhưng do kết cấu
có nhiều van tự động nên phức tạp. Chiều cao các cửa khí lớn làm tăng tổn thất
hành trình piston, giảm các chỉ tiêu công tác của động cơ.
+ Hệ thống quét vòng đặt một bên: Chỉ sử dụng cho các động cơ hai kỳ
tĩnh tại, động cơ tàu thủy cỡ nhỏ có tốc độ trung bình.
Đặc điểm: Các cửa khí đặt một bên của thành xilanh theo hướng lệch tâm
cửa quét nghiêng xuống một góc 150. Trong hệ thống có thể có van xoay để đóng
cửa thải sau khi kết thúc quét khí nhằm giảm tổn thất khí quét.
+ Hệ thống quét thẳng qua xupáp thải:
Đặc điểm: Cửa quét đặt xung quanh xilanh theo hướng tiếp tuyến. Xupáp
thải được đặt trên nắp xilanh. Dòng khí quét chỉ đi theo một chiều từ dưới lên
nắp xilanh rồi theo xupáp thải ra ngoài nên dòng không khí quét ít bị hòa trộn
với sản vật cháy và khí thải được đẩy ra ngoài tương đối sạch, do đó hệ số khí
sót nhỏ và áp suất dòng khí nạp lớn.
Để lựa chọn góc phối khí tốt nhất làm cho quá trình nạp hoàn thiện hơn.
Cửa quét đặt theo hướng tiếp tuyến nên dòng không khí quét đi vào xilanh tạo
thành một vận động xoáy do đó quá trình hình thành hỗn hợp khí và quá trình
cháy xảy ra tốt hơn, đồng thời làm tăng tiết diện lưu thông nên giảm được sức
cản trong quá trình quét khí.
1 – Ống dẫn hướng xupáp; 2 – Lò xo; 3 – Đĩa lò xo; 4 –Móng ngựa; 5 – xupáp;
8 – Đế xupáp; 9 – Con đội; 10 - Trục cam;
6
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, bên cạnh đó có khuyết điểm
là buồng cháy không gọn và đường nạp, thải phải bố trí trên thân máy phức tạp
cho việc đúc và gia công. Đường nạp, thải khó thanh thoát tổn thất nạp thải lớn.
+ Cơ cấu phân phối khí dùng xupáp treo (hình 1.3).
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. Tuy vậy cơ
cấu phân phối khí dùng xupáp treo cũng tồn tại một số khuyết điểm như dẫn
động xupáp phức tạp và làm tăng chiều cao của động cơ, kết cấu của nắp xilanh
hết sức phức tạp, rất khó đúc và gia công. Để dẫn động xupáp, trục cam có thể
bố trí trên nắp xilanh để dẫn động trực tiếp hoặc dẫn động qua đòn bẩy. Trường
hợp trục cam bố trí ở hộp trục khuỷu hoặc ở thân máy, xupáp được dẫn động
gián tiếp qua con đội, đũa đẩy, đòn bẩy…
7
1 23 4 5
6
bánh răng, nếu khoảng cách trục lớn phải dùng thêm các bánh răng trung gian
hoặc dùng xích răng.
9
Trục cam đặt trên nắp máy, về 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, còn truyền động bằng xích có nhiều ưu điểm như gọn nhẹ, có
thể dẫn động được trục cam ở khoảng cách lớn (hình 1.5).
a
b
c
e
d
Hình 1.5: Các phương án dẫn động trục cam.
a, c) – Dẫn động trục cam dùng bánh răng côn; b) – Dẫn động trục cam dùng
bánh răng trung gian; d , e) – Dẫn động trục cam dùng xích.
4. Các chi tiết, cụm chi tiết chính trong cơ cấu phân phối khí
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 (hình 1.7 ). 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.
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.
4.2. Con đội:
Nhiệm vụ: Là chi tiết trung gian dùng để truyền chuyển động từ trục cam
12
đến xupáp thông qua đũa đẩy và đòn bẩy.
Điều kiện làm việc: Con đội bị tác động bởi nhiều lực, áp lực khí nén, lực
nén lò xo xupáp và lực quán tính của các chi tiết chuyển động.
Vật liệu chế tạo: Con đội được làm bằng gang, bề mặt tiếp xúc với cam
phải được tôi cứng bằng cách xử lý nhiệt bề mặt.
Con đội có thể chia làm 3 loại chính:
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.
14
4.3. Đũa đẩy:
Hình 1.10: Các dạng 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 trọng lượng, đũa đẩy thường làm bằng ống thép rỗng hai đầu
hàn gắn với các đầu tiếp xúc hình cầu hoặc mặt cầu lõm. Đôi khi cả hai đầu tiếp
xúc của đũa đẩy đều là hình cầu. Một số dạng đũa đẩy (hình 1.10).
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 60.
4.4. Đòn bẩy:
Nhiệm vụ: Tiếp nhận lực truyền động từ đũa đẩy hoặc trục cam để đóng
mở xupáp theo đúng theo pha phân phối khí.
Đòn bẩy được gắn trên trục của nó, hoạt động của đòn bẩy nhờ vào đũa đẩy
hoặc cam. Nhờ có đòn bẩy xupáp đóng mở theo đúng pha phân phối khí.
15
Kết cấu đòn bẩy (hình 1.11): Đầu tiếp xúc với đũa đẩy thường có vít điều
chỉnh. Sau khi điều chỉnh khe hở nhiệt, vít này được hãm chặt bằng đai ốc. Đầu
Hình 1.12 : Kết cấu của xupáp
1- Đuôi xu páp; 2- Thân xupáp; 3- Nấm xupáp.
Vật liệu chế tạo: Cần chịu được nhiệt độ cao, có sức bền cơ học tốt, có hệ
số giãn nở nhiệt nhỏ, không bị ăn mòn hoá học ở nhiệt độ cao.
- Đối với xupáp xả: Thường sử dụng thép hợp kim chịu nhiệt có thành
phần như: silic, crôm, măngan. Để chống mòn và gỉ, người ta mạ lên bề mặt làm
việc của xupáp một lớp mỏng hợp kim cô ban .
- Đối với xupáp hút: cũng sử dụng thép hợp kim crôm, măngan hoặc hợp
kim chịu nhiệt độ có thêm thành phần silic. Tuy nhiên khả năng chịu nhiệt không
cần cao như đối với xupáp xả.
4.6. Nấm xupáp
Có dạng hình nấm, phần chuyển tiếp giữa thân và đầu có góc lượn để hạn
chế sự cản trở dòng khí nạp. Mặt tiếp xúc đế xupáp là mặt côn được mài nhẵn,
17
góc côn thường 450. Kết cấu của nấm xupáp gồm: Nấm bằng, nấm lõm, nấm lồi,
nấm rỗng (hình 1.13).
a
b
c
d
Hình 1.13: Kết cấu nấm xupáp
đồng thanh nhôm, loại ống dẫn hướng này dẫn nhiệt rất tốt, khi thiếu dầu bôi
trơn cũng không xảy ra hiện tượng kẹt xupáp (hình 1.15).
Hình 1.15: Kết cấu ống dẫn hướng
a) Ống dẫn hướng hình trụ; b) Ống dẫn hướng hình trụ có vai.
4.8. Lò xo xupáp:
Lò xo xupáp có nhiệm vụ giữ cho xupáp đóng kín sát với đế xupáp không
cho khí nén trong buồng đốt bị lọt ra ngoài. Lò xo xupáp giữ cho các chi tiết làm
19
việc của xupáp nạp và xả theo sự điều khiển của các vấu cam nhờ lực lò xo trong
khi xupáp chuyển động do đó đóng mở xupáp chính xác theo biên dạng cam.
Mỗi xupáp thường dùng hai lò xo lồng vào nhau, một cái ở trong và một
cái ở ngoài. Mỗi lò xo có độ cứng khác nhau. Như vậy nó sẽ ngăn cản dao động
riêng của xupáp khi động cơ hoạt động ở tốc độ cao. Lò xo xupáp thường được
dùng là lò xo kín hay lò xo tác động kép. Nó đảm bảo xupáp làm việc tốt ở tốc
độ cao.
Hình 1.16 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…
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 KIA MOTORS, 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
đổi quy luật nâng của xupáp bằng điện tử.
21
Đây là hệ thống đầu tiên trên thế giới sử dụng kết hợp giữa việc điều chỉnh
góc độ phối khí với sự thay đổi qui luật nâng của xupáp phù hợp với chế độ, tốc
độ của động cơ. Nhờ đó nâng cao tính năng của động cơ. Với cách sử dụng cơ
cấu cam đặc biệt đó cho phép động cơ mở rộng vùng làm việc ở tốc độ thấp và
cũng nhờ vậy phát huy tối đa công suất của động cơ. Cơ cấu phối khí VTEC có
hai kiểu sau:
DOHC VTEC: Cơ cấu phối khí điều khiển thời điểm gốc độ nâng của
xupáp nạp và thải bằng điện tử có hai trục cam dẫn động phía trên.
SOHC VTEC: Cơ cấu phối khí điều khiển thời điểm gốc độ nâng của
xupáp nạp bằng điện tử có một trục cam dẫn động phía trên.
* Nguyên lý làm việc của cơ cấu phân phối DOHC VTEC. Ở số vòng
quay thấp: Khi hoạt động ở số vòng quay thấp các piston thủy lực A và B chưa
hoạt động và ở vị trí như (hình 1.17). Các đòn bẩy thứ nhất và thứ hai hoạt động
riêng lẻ, lúc ấy vấu cam trung tâm ở giữa không tham gia vào hoạt động đóng
mở các xupáp ở chế độ này.
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
5300 (vòng/phút), và nhiệt độ nước làm mát phải lớn hơn 600C.
VÁ Ú
U CA M DÁÙ
N Â ÄÜ
NG ÅÍTÄ Ú
C Â ÄÜ
THÁÚ
P
7
3
6
5
Hình 1.18: Hoạt động của SOHC-VTEC ở số vòng quay thấp.
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.
Ở số vòng quay cao: Khi động cơ hoạt động ở số vòng quay cao, piston thuỷ
lực di chuyển theo hướng mũi tên như (hình 1.19). Kết quả là đòn bẩy thứ nhất, thứ
hai và đòn bẩy trung gian được nối cứng với nhau bởi hai pis ton thủy lực A và B
thành một khối và chuyển động thống nhất. Tất cả các đòn bẩy di chuyển bởi vấu
cam trung tâm ở tốc độ cao, điều đó có nghĩa là tất cả các xupáp nạp được điều
chỉnh thời điểm đóng mở và qui luật nâng khi hoạt 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 SOHC là khi số vòng quay của động cơ đạt đến tốc độ lớn hơn
4800 (vòng/phút), và nhiệt độ nước làm mát là 600C.
23
1
4
2
Valve Timing (Thay đổi thời điểm phối khí thông minh).
Đối với các động cơ thông thường thì có thời điểm phối khí là cố định và
thường đựơc tính theo điều kiện sử dụng của động cơ. Vì nó được dẫn động trực
tiếp từ trục khuỷu đến cam thông qua cặp bánh răng hoặc xích. Ngược lại, với
các động cơ có hệ thống CVVT thì góc phân phối có thể thay đổi theo điều kiện
làm việc của động cơ. Hệ thống CVVT sử dụng áp suất thuỷ lực điều khiển bằng
van điện từ để xoay trục cam nạp, thay đổi thời điểm phối khí để đạt được thời
điểm phối khí tối ưu. Hệ thống này có thể xoay trục cam một góc 400 tính theo
góc quay trục khuỷu để đạt thời điểm phối khí tối ưu cho các chế độ hoạt động
của động cơ dựa vào các tín hiệu từ cảm biến và điều khiển bằng ECU động cơ.
Do đó hệ thống này được đánh giá rất cao vì nó cải thiện quá trình nạp và thải,
tăng công suất động cơ, tăng tính kinh tế và giảm ô nhiễm môi trường.
Việc sử dụng các bộ phận thay đổi thời điểm và qui luật nâng của xupáp,
làm cho cơ cấu phối khí hiện đại luôn hoạt động ở điều kiện tối ưu. Điều đó đã
làm cho động cơ sử dụng cơ cấu phối khí hiện đại có suất tiêu hao nhiên liệu thấp,
việc gia tốc thay đổi từ tốc độ thấp sang tốc độ cao xảy ra nhanh chóng, ít gây ô
nhiễm và đạt công suất cao. Xe có sử dụng cơ cấu phân phối khí hiện đại sẽ chạy
êm dịu trong thành phố cũng như trên quốc lộ, dễ dàng chuyển từ tốc độ thấp sang
tốc độ cao. Bên cạnh những ưu điểm đó thì cơ cấu phối khí hiện đại có nhược
điểm là: Có nhiều chi tiết, cụm chi tiết cần chế tạo với độ chính xác cao, hệ thống
điều khiển phức tạp và việc bảo quản, sữa chữa khó khăn, giá thành cao.
25
Copyright: Tài liệu đại học ©