Cơ Cấu Phân Phối Khí: Nguyên Lý và Ứng Dụng Trong Động Cơ

• Đề tài: Cơ Cấu Phân Phối Khí: Nguyên Lý và Ứng Dụng Trong Động Cơ

• 7. CHƯƠNG 7: CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ (Gas distribution mechanism)
• 7.1. MỤC TIÊU BÀI HỌC
• 7.2. PHÂN LOẠI VÀ YÊU CẦU
• 7.3. KẾT CẤU CỦA CƠ CẤU PHÂN PHỐI
• 7.3.1. DÙNG XUPÁP
• 7.3.1.1. Phương án bố trí xupap
• 7.3.1.2. Phương án dẫn động trục cam
• 7.3.1.3. Một số cơ cấu phân phối khí thông minh
• 7.3.2. CÁC CHI TIẾT MÁY TRONG CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ
• 7.3.2.1. Xupap
• 7.3.2.2. Đế xupap
• 7.3.2.3. Ống dẫn hướng
• 7.3.2.4. Lò xo xupap
• 7.3.2.5. Trục cam
• 7.3.2.6. Con đội
• 7.3.2.7. Đũa đẩy
• 7.3.2.8. Đòn bẩy (cò mổ)

I. Khám Phá Toàn Diện Về Cơ Cấu Phân Phối Khí Động Cơ

Cơ cấu phân phối khí là một hệ thống kỹ thuật trung tâm, quyết định trực tiếp đến hiệu suất và sự ổn định của động cơ đốt trong. Nhiệm vụ chính của nó là điều khiển chính xác quá trình trao đổi khí, đảm bảo thải sạch khí cháy ra khỏi xi lanh và nạp đầy hòa khí mới vào buồng đốt theo đúng chu kỳ làm việc. Một hệ thống phân phối khí hiệu quả phải đáp ứng các yêu cầu khắt khe về thời gian, độ kín và độ bền. Sự đồng bộ giữa chuyển động của piston và hoạt động của các xupap là yếu tố nền tảng cho chu trình nạp-nén-nổ-xả diễn ra một cách tối ưu. Tài liệu nghiên cứu cơ bản chỉ rõ, chức năng của cơ cấu này là "thực hiện quá trình thay đổi khí, thải sạch khí thải khỏi xy lanh và nạp đầy khí hỗn hợp để động cơ làm việc liên tục". Vì vậy, việc hiểu rõ cấu tạo và nguyên lý của nó là bước đầu tiên để làm chủ công nghệ động cơ, từ việc chẩn đoán hư hỏng đến các giải pháp nâng cao hiệu suất. Các thành phần như trục cam, xupap, và cơ cấu dẫn động đều phải hoạt động như một thể thống nhất, chịu được áp lực và nhiệt độ cực lớn trong suốt quá trình vận hành.

1.1. Định nghĩa và nhiệm vụ cốt lõi của hệ thống phân phối khí

Trong động cơ đốt trong, hệ thống phân phối khí là một tập hợp các chi tiết máy được cơ cấu hóa để quản lý việc đóng, mở các cửa nạp và cửa xả. Nhiệm vụ cốt lõi của nó bao gồm hai quá trình chính: nạp và xả. Ở kỳ nạp, cơ cấu này mở xupap nạp để hỗn hợp không khí và nhiên liệu được hút vào xi lanh. Ở kỳ xả, nó mở xupap xả để đẩy toàn bộ khí thải sau quá trình cháy ra ngoài. Sự chính xác về mặt thời gian là tối quan trọng, bởi chỉ một sai lệch nhỏ cũng có thể làm giảm công suất, tăng tiêu hao nhiên liệu và gây ô nhiễm môi trường. Theo tài liệu kỹ thuật, nhiệm vụ của cơ cấu là "Thải sạch khí thải khỏi xy lanh và nạp đầy khí hỗn hợp để động cơ làm việc liên tục". Quá trình này phải được đồng bộ hóa tuyệt đối với vị trí của piston trong chu trình nạp-nén-nổ-xả, đảm bảo hiệu suất động cơ cao nhất.

1.2. Yêu cầu kỹ thuật cho một cơ cấu phân phối khí tối ưu

Để hoạt động hiệu quả, một cơ cấu phân phối khí cần tuân thủ các yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt. Thứ nhất, việc đóng mở phải diễn ra đúng thời điểm đóng mở xupap theo quy định của nhà sản xuất. Thứ hai, độ mở của xupap phải đủ lớn để dòng khí lưu thông dễ dàng, giảm thiểu sức cản và tăng hiệu quả nạp-xả. Thứ ba, khi đóng, các xupap phải đảm bảo độ kín tuyệt đối để tránh lọt khí trong kỳ nén và kỳ nổ, một yếu tố sống còn để duy trì áp suất buồng đốt. Ngoài ra, hệ thống phải có độ bền cao, ít bị mài mòn, giảm thiểu tiếng ồn khi vận hành. Cuối cùng, thiết kế cần thuận tiện cho việc bảo dưỡng hệ thống phân phối khí, điều chỉnh khe hở nhiệt xupap và sửa chữa. Tài liệu gốc đã tổng kết: "Đóng mở đúng thời gian quy định, độ mở lớn, đóng kín, ít mòn tiếng kêu bé, dễ điều chỉnh và sửa chữa".

II. Phân Tích Các Hư Hỏng Của Cơ Cấu Phân Phối Khí Thường Gặp

Do làm việc trong điều kiện khắc nghiệt với nhiệt độ và áp suất cao, các chi tiết của cơ cấu phân phối khí không tránh khỏi mài mòn và hư hỏng. Xupap là bộ phận chịu ảnh hưởng nặng nề nhất, thường xuyên đối mặt với nguy cơ cháy rỗ bề mặt, cong vênh thân hoặc mòn đuôi. Trục cam và con đội cũng có thể bị mòn vấu cam, cào xước cổ trục, gây ra sai lệch trong pha phân phối khí. Các bộ phận truyền động như dây đai cam có thể bị đứt, xích cam bị dão, gây hậu quả nghiêm trọng là piston va chạm với xupap, dẫn đến hư hỏng nặng cho động cơ. Việc nhận biết sớm các dấu hiệu như tiếng gõ lách cách từ nắp máy, động cơ yếu, hao xăng bất thường là rất quan trọng. Theo tài liệu kỹ thuật, các hư hỏng điển hình của xupap bao gồm "mòn bề mặt làm việc, bị cháy rỗ, cào xước bề mặt, thân xupap bị cong vênh". Việc chẩn đoán chính xác nguyên nhân giúp đưa ra phương án sửa chữa hoặc thay thế kịp thời, đảm bảo an toàn và tiết kiệm chi phí.

2.1. Vấn đề với xupap Mòn cháy rỗ và biến dạng nhiệt

Xupap làm việc trong môi trường cực kỳ khắc nghiệt, đặc biệt là xupap xả, phải chịu nhiệt độ lên tới 1100-1200°C và sự ăn mòn hóa học từ khí thải. Tài liệu gốc chỉ rõ: "Trong nhiên liệu có lưu huỳnh nên khi cháy tạo thành axít ăn mòn mặt nấm xupáp". Các hư hỏng phổ biến bao gồm: mòn mặt côn tiếp xúc với đế xupap, gây mất độ kín; cháy rỗ bề mặt do nhiệt độ quá cao; thân xupap bị cong vênh do va đập hoặc lắp ráp sai kỹ thuật; đuôi xupap mòn do tiếp xúc với cò mổ hoặc con đội. Khi ống dẫn hướng bị mòn, xupap sẽ không di chuyển đồng trục, gây mòn không đều và giảm tuổi thọ. Việc kiểm tra và mài rà xupap định kỳ là biện pháp cần thiết để duy trì hiệu suất động cơ.

2.2. Hư hỏng trục cam và các chi tiết truyền động liên quan

Trục cam là "bộ não" điều khiển toàn bộ hệ thống, nên bất kỳ hư hỏng nào cũng ảnh hưởng lớn đến hoạt động của động cơ. Các vấu cam có thể bị mòn, làm giảm hành trình của xupap và thay đổi thời điểm đóng mở xupap. Cổ trục và bạc lót có thể bị cào xước do thiếu dầu bôi trơn. Cơ cấu dẫn động cũng là một điểm yếu tiềm tàng. Dây đai cam làm từ cao su tổng hợp có tuổi thọ giới hạn và cần được thay thế định kỳ. Xích cam bền hơn nhưng có thể bị dão sau thời gian dài sử dụng, gây ra tiếng ồn và sai lệch pha. Hư hỏng ở con đội, cò mổ hay đũa đẩy cũng gây ra tiếng gõ và làm giảm hiệu quả truyền lực từ cam đến xupap.

III. Nguyên Lý Hoạt Động Của Cơ Cấu Phân Phối Khí Chi Tiết

Nguyên lý làm việc của động cơ 4 kỳ đòi hỏi sự phối hợp nhịp nhàng và chính xác của cơ cấu phân phối khí. Toàn bộ hoạt động bắt nguồn từ trục khuỷu, thông qua dây đai cam hoặc xích cam, truyền chuyển động quay đến trục cam với tốc độ bằng một nửa. Khi trục cam quay, các vấu cam có biên dạng đặc biệt sẽ tác động lên con đội hoặc cò mổ. Lực này sau đó được truyền tới đuôi xupap, nén lò xo và mở xupap ra. Khi vấu cam đi qua, lò xo sẽ đẩy xupap đóng kín lại. Quá trình này được lặp lại một cách tuần hoàn, đồng bộ với từng kỳ hoạt động của piston. Sơ đồ phân phối khí là công cụ biểu diễn trực quan quá trình này, thể hiện rõ các góc mở sớm và góc đóng muộn của xupap nạp và xả. Các góc này được thiết kế để tận dụng quán tính của dòng khí, giúp nạp đầy hơn và thải sạch hơn, từ đó tối ưu hóa công suất và mô-men xoắn của động cơ.

3.1. Sơ đồ phân phối khí và thời điểm đóng mở xupap tối ưu

Sơ đồ phân phối khí, hay giản đồ phối khí, là một biểu đồ tròn mô tả chính xác thời điểm và khoảng thời gian hoạt động của các xupap trong một chu trình động cơ. Để tối ưu hóa quá trình trao đổi khí, xupap nạp không mở đúng tại điểm chết trên (ĐCT) mà mở sớm hơn một chút (gọi là góc mở sớm) và đóng lại sau khi piston đã qua điểm chết dưới (ĐCD) (gọi là góc đóng muộn). Tương tự, xupap xả cũng mở sớm trước ĐCD và đóng muộn sau ĐCT. Mục đích của việc này là để lợi dụng quán tính của dòng khí, giúp nạp được nhiều hòa khí hơn và thải sạch khí cháy hơn, qua đó cải thiện đáng kể hiệu suất động cơ. Các góc này được tính toán kỹ lưỡng và quyết định trực tiếp đến đặc tính công suất của động cơ.

3.2. Cấu tạo chi tiết Trục cam cò mổ và các bộ phận chính

Một hệ thống phân phối khí điển hình bao gồm các bộ phận chính sau: Trục cam có các vấu cam để điều khiển xupap. Xupap gồm xupap nạp và xupap xả. Con đội là chi tiết trung gian truyền lực từ cam. Cò mổ (trong cơ cấu OHV và một số loại SOHC) hoạt động như một đòn bẩy để thay đổi hướng lực. Đũa đẩy (trong cơ cấu OHV) truyền lực từ con đội lên cò mổ. Lò xo xupap có nhiệm vụ đóng kín xupap. Cơ cấu dẫn động, có thể là bánh răng, xích cam hoặc dây đai cam, truyền chuyển động từ trục khuỷu đến trục cam. Theo tài liệu, vật liệu chế tạo trục cam thường là thép hợp kim, trong khi xupap xả được làm từ "hợp kim Crom niken silic" để chịu nhiệt và chống ăn mòn.

IV. So Sánh Các Loại Cơ Cấu Phân Phối Khí OHV SOHC DOHC

Trong lịch sử phát triển động cơ, có ba loại cơ cấu phân phối khí dùng xupap treo chính đã được ứng dụng rộng rãi: OHV, SOHC, và DOHC. Cơ cấu OHV (OverHead Valve) có trục cam đặt trong thân máy, sử dụng đũa đẩy và cò mổ để dẫn động xupap. Loại này có kết cấu đơn giản, bền bỉ nhưng hạn chế ở tốc độ cao do khối lượng các chi tiết chuyển động lớn. Cơ cấu SOHC (Single OverHead Camshaft) cải tiến bằng cách đặt một trục cam duy nhất trên nắp máy, điều khiển trực tiếp hoặc qua cò mổ cho cả xupap nạp và xả. Thiết kế này giảm quán tính, cho phép động cơ hoạt động ở vòng tua cao hơn. Hiện đại nhất là DOHC (Double OverHead Camshaft), sử dụng hai trục cam riêng biệt: một cho hàng xupap nạp và một cho hàng xupap xả. Thiết kế này tối ưu hóa góc đặt xupap, tăng diện tích lưu thông khí, cho phép bố trí nhiều xupap trên một xi lanh và dễ dàng tích hợp các công nghệ như van biến thiên, mang lại hiệu suất động cơ vượt trội.

4.1. Cơ cấu xupap treo dẫn động bằng đũa đẩy OHV

Cơ cấu OHV (OverHead Valve) là thiết kế truyền thống với trục cam được bố trí trong thân máy. Chuyển động từ trục cam được truyền lên các xupap treo trên nắp máy thông qua con đội, đũa đẩy và cò mổ. Ưu điểm của hệ thống này là kết cấu phần dẫn động từ trục khuỷu đến trục cam (thường bằng bánh răng) rất đơn giản và bền. Tuy nhiên, nhược điểm lớn là có quá nhiều chi tiết chuyển động tịnh tiến (con đội, đũa đẩy, cò mổ) tạo ra quán tính lớn, hạn chế khả năng hoạt động ổn định ở tốc độ vòng tua cao. Do đó, cơ cấu OHV ngày nay ít phổ biến trên các động cơ ô tô hiện đại, nhưng vẫn được sử dụng trong một số động cơ xe tải hoặc động cơ V8 của Mỹ vì sự bền bỉ và mô-men xoắn tốt ở dải tua thấp.

4.2. Ưu điểm của cơ cấu trục cam trên nắp máy SOHC DOHC

Việc di chuyển trục cam lên nắp máy đã tạo ra một cuộc cách mạng. Cơ cấu SOHC (Single OverHead Camshaft) sử dụng một trục cam để điều khiển tất cả các xupap, loại bỏ được đũa đẩy, giảm đáng kể khối lượng và quán tính của hệ thống. Điều này cho phép động cơ đạt tốc độ cao hơn và phản ứng nhanh hơn. Cơ cấu DOHC (Double OverHead Camshaft) còn đi xa hơn với hai trục cam riêng biệt. Lợi ích chính của DOHC là khả năng bố trí xupap tối ưu hơn, cho phép sử dụng 4 hoặc 5 xupap mỗi xi lanh, tăng cường đáng kể lưu lượng của hệ thống nạp và hệ thống xả. Điều này trực tiếp cải thiện công suất và hiệu suất. Hơn nữa, DOHC là nền tảng lý tưởng để tích hợp các công nghệ VVT phức tạp, cho phép điều khiển độc lập pha của xupap nạp và xả.

V. Ứng Dụng Công Nghệ Van Biến Thiên Trong Phân Phối Khí

Để khắc phục nhược điểm cố hữu của cơ cấu phân phối khí truyền thống (chỉ tối ưu ở một dải tốc độ nhất định), các nhà sản xuất đã phát triển công nghệ VVT (Variable Valve Timing) hay van biến thiên. Công nghệ này cho phép thay đổi thời điểm đóng mở xupap một cách linh hoạt tùy theo tốc độ và tải của động cơ. Bằng cách làm xoay sớm hoặc muộn trục cam so với bánh răng dẫn động, hệ thống có thể điều chỉnh góc mở sớm và góc đóng muộn, giúp tối ưu hóa quá trình trao đổi khí ở mọi dải tốc độ. Kết quả là động cơ vừa đạt công suất cao ở vòng tua lớn, vừa tiết kiệm nhiên liệu và vận hành êm ái ở vòng tua thấp. Nhiều hãng xe đã phát triển các hệ thống độc quyền của riêng mình, như VVT-i (Toyota), VTEC (Honda), hay MIVEC (Mitsubishi), tất cả đều dựa trên nguyên lý chung là tối ưu hóa pha phân phối khí để nâng cao toàn diện hiệu suất động cơ.

5.1. Công nghệ VVT và giải pháp tối ưu hóa hiệu suất động cơ

Công nghệ VVT (Variable Valve Timing) ra đời để giải quyết bài toán mâu thuẫn giữa hiệu suất ở dải tua thấp và dải tua cao. Ở tốc độ thấp, động cơ cần góc trùng điệp (thời gian cả xupap nạp và xả cùng mở) nhỏ để hoạt động ổn định. Ngược lại, ở tốc độ cao, góc trùng điệp lớn hơn sẽ giúp tăng cường hiệu ứng "quét" khí thải và nạp đầy hòa khí mới. VVT cho phép điều chỉnh góc xoay tương đối của trục cam so với trục khuỷu, từ đó thay đổi pha phân phối khí một cách linh hoạt. Hệ thống này thường sử dụng áp suất dầu thủy lực để điều khiển một bộ chấp hành đặt ở đầu trục cam, giúp động cơ đạt được hiệu suất động cơ tối ưu trên toàn dải hoạt động.

5.2. Các hệ thống thông minh VVT i VTEC và Dual VVT i

Dựa trên nguyên lý VVT, các hãng đã tạo ra nhiều biến thể. VVT-i của Toyota là hệ thống điều khiển vô cấp thời điểm đóng mở xupap nạp. Dual VVT-i là phiên bản nâng cao, có khả năng điều khiển độc lập cả trục cam nạp và trục cam xả. VTEC của Honda lại có một cách tiếp cận khác biệt, ngoài việc thay đổi pha, nó còn có thể thay đổi cả hành trình và thời gian mở của xupap bằng cách sử dụng các vấu cam có biên dạng khác nhau cho dải tua thấp và cao. Các hệ thống khác như MIVEC của Mitsubishi hay VVEL của Nissan cũng có những cơ chế tương tự, tất cả đều hướng đến mục tiêu chung là tạo ra một động cơ mạnh mẽ, tiết kiệm và thân thiện với môi trường hơn. Trong tương lai, hệ thống Camless (không trục cam) có thể sẽ thay thế hoàn toàn các cơ cấu cơ khí này.