Nghiên cứu chi tiết hệ thống phân phối khí trên động cơ Toyota Vios 2014 (1NZ-FE)

Phân tích chi tiết hệ thống phân phối khí VVT-i trên động cơ 1NZ-FE của xe Toyota Vios 2014. Bao gồm cấu tạo, nguyên lý, sửa chữa và file CAD.

• Tác giả: Xxx
• Người hướng dẫn: ThS. Xxx
• Chuyên ngành: Cơ khí động lực
• Đề tài: Nghiên cứu kết cấu, quy trình kiểm tra và sửa chữa hệ thống phân phối khí trên động cơ xe Toyota Vios 2014
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Xxx

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống phân phối khí Toyota Vios 2014

Hệ thống phân phối khí là một trong những thành phần quan trọng nhất của động cơ ô tô hiện đại. Trên xe Toyota Vios 2014 với động cơ 1NZ-FE, hệ thống này được thiết kế để điều khiển thời điểm mở và đóng các van nạp và xả khí. Hệ thống VVT-i (Variable Valve Timing with Intelligence) được tích hợp để tối ưu hóa hiệu suất động cơ, tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải. Hiểu rõ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống này giúp người dùng và kỹ thuật viên có thể phát hiện và xử lý các sự cố một cách hiệu quả. Động cơ 1NZ-FE sử dụng xích cam để truyền động từ trục khoảnh tay đến trục cam, với thiết kế độc đáo cho phép điều chỉnh thời gian phân phối khí một cách thông minh.

1.1. Khái niệm hệ thống phân phối khí

Phân phối khí là quá trình điều khiển lượng khí vào và khí thải ra khỏi buồng cháy. Trên Toyota Vios 2014, hệ thống này bao gồm trục cam, van xu páp, lò xo van, ống dẫn hướng và các chi tiết liên quan. Van nạp cho phép hỗn hợp khí vào, còn van xả đẩy khí thải ra ngoài. Hệ thống phải hoạt động với độ chính xác cao để đảm bảo hiệu suất động cơ tối ưu và giảm tiêu hao nhiên liệu.

1.2. Tầm quan trọng của hệ thống VVT i

Hệ thống VVT-i trên động cơ 1NZ-FE cho phép điều chỉnh góc mở van theo điều kiện vận hành của động cơ. Công nghệ này sử dụng van điều khiển dầu và bộ điều khiển thông minh để tự động thay đổi thời gian phân phối khí. Kết quả là tăng hiệu suất động cơ, giảm khí thải và tiết kiệm xăng từ 5-10%. Đây là một bước tiến đáng kể trong công nghệ động cơ ô tô hiện đại.

II. Cấu tạo chi tiết hệ thống phân phối khí động cơ 1NZ FE

Động cơ 1NZ-FE của Toyota Vios 2014 có cấu tạo hệ thống phân phối khí phức tạp gồm nhiều chi tiết liên kết với nhau. Hệ thống được chia thành hai trục cam độc lập điều khiển van nạp và van xả, nằm phía trên buồng cháy. Xích phân phối được hình thành từ những khớp nối mềm, truyền động từ bánh răng trên trục khoảnh tay. Mỗi trục cam được trang bị bánh răng phối khí có dạng hình nấm để tác động vào van xu páp. Bộ căng xích đảm bảo độ căng thích hợp, trong khi bộ hướng dẫn xích giữ xích ở vị trí chính xác. Nắp máy bảo vệ toàn bộ cơ cấu trên và cách ly với các chi tiết khác của động cơ.

2.1. Các chi tiết chính của hệ thống

Chi tiết quan trọng nhất là trục cam - một trục có những vấu (cam) được tạo hình đặc biệt để tác động vào van xu páp. Van xu páp nạp và van xả là những chi tiết chuyên dụng chịu nhiệt độ cao, có phần nấm rộng để đóng mở cổng. Lò xo van giữ van ở vị trí đóng khi không có tác động. Ống dẫn hướng gia công chính xác giúp van trượt mượt mà mà không bị kẹt.

2.2. Hệ thống VVT i trên 1NZ FE

Bộ điều khiển VVT-i gắn trên đầu trục cam nạp, chứa một van điều khiển dầu hai chiều. Dầu máy được cấp qua các lỗ nhỏ trong trục cam, tạo áp lực để quay bộ điều khiển theo hướng làm sớm hoặc muộn. Cảm biến vị trí trục cam (CMP) và cảm biến độ rộng xung (ECT) gửi tín hiệu đến ECU để điều khiển thời gian phân phối khí một cách tối ưu.

III. Quy trình kiểm tra và bảo dưỡng hệ thống phân phối khí

Việc kiểm tra định kỳ hệ thống phân phối khí là rất cần thiết để đảm bảo hiệu suất động cơ và tuổi thọ của xe. Trên Toyota Vios 2014, cần kiểm tra khe hở van, độ bền xích, tình trạng các chi tiết cam, lò xo van và bộ căng xích. Triệu chứng hỏng hóc thường gặp bao gồm: động cơ yếu, tiêu hao nhiên liệu cao, khởi động khó, tiếng kêu lạ từ phía đầu máy, và chỉ báo lỗi trên bảng đồng hồ. Kỹ thuật viên cần sử dụng dụng cụ đo chính xác như thước đo khe hở, panme, cân độ dày, và máy chẩn đoán Toyota Techstream. Quy trình kiểm tra phải tuân theo tiêu chuẩn của hãng để đảm bảo độ chính xác.

3.1. Các triệu chứng hỏng hóc thường gặp

Khi hệ thống phân phối khí bị hỏng, xe thường biểu hiện những triệu chứng rõ ràng. Xích phân phối bị chùng làm sự cân bằng giữa trục cam và trục khoảnh tay sai lệch, gây động cơ yếu. Van bị kẹt do các chi tiết bị rỉ sét hoặc tích carbon, dẫn đến khởi động khó và tiêu hao xăng cao. Lò xo van gãy khiến van không thể đóng kín, làm rò rỉ nén. Tiếng kêu từ phía đầu máy là dấu hiệu của các chi tiết bị lỏng.

3.2. Phương pháp kiểm tra và sửa chữa

Quy trình kiểm tra bắt đầu bằng việc đặt piston xi lanh số 1 ở vị trí TDC (điểm chết trên). Sau đó kiểm tra sự trùng khớp các vạch trên bánh răng. Đo khe hở van bằng thước khe, đo độ dày con đội bằng panme. Kiểm tra độ bền xích bằng cách bấn vuông góc. Nếu phát hiện hỏng hóc, cần tháo hệ thống đi sửa chữa hoặc thay thế các chi tiết. Lắp lại phải đúng vị trí ban đầu để đảm bảo hiệu suất động cơ.

IV. Ứng dụng CAD trong thiết kế và mô phỏng hệ thống phân phối khí

CAD (Computer-Aided Design) là công cụ mạnh mẽ giúp kỹ sư thiết kế và tối ưu hóa hệ thống phân phối khí trên động cơ 1NZ-FE. Sử dụng phần mềm CAD 3D, có thể xây dựng các mô hình chi tiết của trục cam, van xu páp, xích phân phối, và tất cả các chi tiết khác. Từ đó, kỹ sư có thể mô phỏng chuyển động của các bộ phận, kiểm tra sự va chạm giữa các chi tiết, và tính toán lực tác động lên từng thành phần. Phân tích hữu hạn FEA giúp xác định ứng suất và biến dạng của chi tiết dưới tác động của áp lực và nhiệt độ cao. Các mô hình CAD 3D còn được sử dụng để tạo tài liệu kỹ thuật, hướng dẫn sửa chữa, và đào tạo kỹ thuật viên.

4.1. Thiết kế 3D chi tiết hệ thống

Sử dụng phần mềm CAD như SolidWorks, AutoCAD 3D, kỹ sư có thể mô hình hóa từng chi tiết của hệ thống phân phối khí 1NZ-FE với độ chính xác cao. Trục cam được thiết kế dựa trên các tính toán về thời gian mở van, dạng cam tối ưu. Bánh răng phân phối được tạo hình để đảm bảo truyền động mượt mà. Xích phân phối được mô phỏng chi tiết với độ dày, khoảng cách liên kết phù hợp. Các mô hình này cho phép phát hiện lỗi thiết kế trước khi sản xuất, tiết kiệm chi phí và thời gian.

4.2. Mô phỏng và phân tích kỹ thuật

Mô phỏng chuyển động trong CAD giúp xác định chuyển động của van xu páp theo độ quay của trục cam, đảm bảo thời gian mở van chính xác. Phân tích ứng suất FEA kiểm tra xem các chi tiết có chịu được áp lực cao hay không, tìm ra vị trí yếu cần gia cố. Mô phỏng nhiệt độ xác định điểm nóng nhất, hỗ trợ chọn vật liệu phù hợp. Kết quả là thiết kế tối ưu, hiệu suất cao, và chi phí sản xuất thấp hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1. Tính cấp thiết của đề tài Với một sự phát triển nhanh và mạnh của thị trường ô tô Việt Nam. Một yêu cầu được đặt ra, đó là làm thế nào để khai thác được hiệu quả nhất động cơ của ô tô, nhất là về phần điều khiển. Để có thể đánh giá và sử dụng hết được những tính năng của nó, đem lại chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật (ít tiêu hao nhiên liệu, giảm sự ô nhiễm, công suất động cơ) cao nhất.

Ngành công nghiệp chế tạo động cơ đốt trong được coi là bộ phận tất yếu của ngành cơ khí. Vấn đề tạo đội ngũ kỹ thuật kỹ thuật về động cơ đốt trong có số lượng và chất lượng nhất định phải được coi trọng. Trong động cơ đốt trong có rất nhiều hệ thống kết hợp với nhau, mỗi hệ thống đều có vai trò nhất định của nó. Hệ thống phân phối khí là một trong những hệ thống cơ bản để cấu thành nên một động cơ đốt trong, nó cũng là hệ thống mà được các kỹ sư đã và đang vẫn tìm cách cải tiến một cách hoàn chỉnh nhất để cải thiện tính nhiên liệu và khí thải hiện nay.

Đó cũng là lý do mà em chọn đề tài tốt nghiệp của mình là “Nghiên cứu kết cấu, quy trình kiểm tra và sửa chữa hệ thống phân phối khí trên động cơ xe Toyota Vios 2014”. Trong phạm vi giới hạn của đề tài, khó mà có thể nói hết được tất cả các công việc cần phải làm để khai thác hết tính năng. Tuy nhiên, đây sẽ là nền tảng cho việc lấy cơ sở để khai thác những động cơ tương tự sau này. Mục tiêu của đề tài - Tìm hiểu được công dụng, phân loại hệ thống phân phối khí trên ô tô.

- Mô tả được cấu tạo, nguyên lý hoạt động của hệ thống phân phối khí lắp trên ô tô. - Phân tích được những hư hỏng, quy trình tháo lắp, kiểm tra và sửa chữa hệ thống phân phối khí trên động cơ xe Toyota Vios 2014. Phương pháp nghiên cứu đề tài Trong quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài em có sử dụng một số phương pháp nghiên cứu sau: - Tra cứu tài liệu, giáo trình kỹ thuật, đặc biệt là các cuốn cẩm nang khai thác, bảo dưỡng sửa chữa của hãng Toyota. - Nghiên cứu, tìm kiếm thông tin trên mạng internet, các website về chuyên ngành ô tô.

- Tổng hợp và phân tích các nguồn dữ liệu thu thập được, từ đó đưa ra những đánh giá và nhận xét của riêng mình. 2 - Nghiên cứu trực tiếp hệ thống phân phối khí trên động cơ trong khoa Cơ Khí Động Lực của trường. Ý nghĩa của đề tài - Đề tài giúp sinh viên năm cuối sau khi tốt nghiệp có thể củng cố kiến thức, tổng hợp và nâng cao kiến thức chuyên ngành cũng như kiến thức ngoài thực tế, xã hội. - Đề tài khi được hoàn thành cũng sẽ là nguồn tài liệu tham khảo cho các bạn học sinh, sinh viên muốn tra cứu tìm hiểu về hệ thống phân phối khí trên động cơ 1NZ–FE.

Nghiệm vụ nghiên cứu đề tài - Nghiên cứu kết cấu, nguyên lý hoạt động của hệ thống phân phối khí trên động cơ 1NZ-FE. - Xây dựng quy trình tháo lắp, phương pháp kiểm tra và sửa chữa hệ thống phân phối khí trên động cơ 1NZ-FE lắp trên xe Toyota Vios 2014. Giới thiệu về xe Vios 2014 Thế hệ thứ 3 của Toyota Vios chính thức trình làng toàn cầu tại Thái Lan vào tháng 3/2013 tại Triển lãm Ô tô Bangkok nhưng đến năm 2014 mới chính thức ra mắt thị trường Việt. Mẫu xe hạng nhỏ tiếp tục được Toyota dần nhào nặn theo phong cách trẻ trung, sắc nét và tích cực hơn với những ảnh hưởng lớn từ dòng Yaris 2012.

Tuy nhiên hốc gió của Vios mới theo kiểu hình thang xuôi và rộng hơn hẳn Yaris nên hầm hố hơn. Cụm đèn đuôi hình bình hành, ôm dọc theo thân giống như Camry thế hệ cũ. Bên cạnh kiểu dáng mới có thiết kế trẻ trung và năng động hơn, Vios cũng đã được gia tăng kích thước đáng kể về chiều dài và chiều cao mang đến không gian thoải mái cho người dùng. Thế hệ mới tại nước ngoài được “cách tân” từ trong ra ngoài khi sử dụng hệ thống động cơ 2NR-FE hoàn toàn mới.

3 Nhưng phải đến năm 2014, Vios thế hệ thứ 3 hoàn toàn mới mới chính thức về Việt Nam với các phiên bản Vios 1.5G số tự động và hai phiên bản số sàn Vios 1.5E và Vios Limo. Ngoài ra, để tăng thêm lựa chọn cho nhóm khách hàng cá nhân, TMV còn cung cấp thêm phiên bản Vios 1. Tuy nhiên khi ra mắt thế hệ mới, Vios tại Việt Nam vẫn tiếp tục sử dụng thế hệ động cơ cũ dù ở các thị trường khác đều được đồng loạt nâng cấp động cơ. Cụ thể, Vios G và Vios E được trang bị động cơ 1.5L DOHC, trong khi đó Vios J sử dụng động cơ VVT-i 1,3 lít, DOHC.

4 Chương 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÍ TRÊN ĐỘNG CƠ Ô TÔ 2. Nhiệm vụ, yêu cầu và phân loại hệ thống phân phối khí 2. Nhiệm vụ Hệ thống phân phối khí có nhiệm vụ thực hiện quá trình trao đổi khí. Thải khí ra khỏi xylanh và nạp đầy hỗn hợp khí (động cơ xăng) hoặc không khí sạch (động cơ diesel) vào xylanh để động cơ làm việc liên tục.

Yêu cầu - Đảm bảo thải sạch và nạp đầy + Các xu páp phải đóng mở đúng theo thời điểm quy định + Độ mở phải lớn để dòng khí dễ lưu thông + Các xu páp phải kín khít, tránh lọt khí trong quá trình nén và giản nở + Hệ thống phải làm việc êm dịu, tin cậy, công chi phí thấp - Yêu cầu đối với hệ thống nạp + Các đường dẫn khí phải được thiết kế đặc biệt để điều khiển lưu lượng, tốc độ và chiều dẫn không khí tốt nhất + Cung cấp khí sạch cho từng xylanh theo yêu cầu cháy hoàn hảo + Giảm tiếng ồn dòng khí lưu động - Yêu cầu đối với hệ thống xả + Dẫn khí xả của động cơ ra ngoài không khí và giảm tiếng ồn và tiêu hủy khí xả độc. Phân loại cơ cấu phân phối khí Cơ cấu phân phối khí dùng xu páp: Là loại cơ cấu được sử dụng rộng rãi trong động cơ 4 kỳ vì có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, dễ điều chỉnh và làm việc chính xác hiệu quả, mang lại hiệu suất cao. Phân loại cơ cấu phân phối khí - Cơ cấu phân phối khí xu páp đặt (hiện nay ít được sử dụng) - Cơ cấu phân phối khí xu páp treo - Cơ cấu phân phối khí van trượt: Là loại cơ cấu tuy nhiên ưu điểm như có thể đảm bảo tiết diện lưu thông lớn, dễ làm mát, ít gây ồn….Nhưng do kết cấu khá phức tạp, giá thành cao nên ít được dùng. - Cơ cấu phân phối khí hiện đại điều khiển điện tử: VVT-i, VVTL-i, iVTEC,… - Cơ cấu phân phối khí dùng piston đóng cửa nạp và đóng cửa xả 5 2.

Cấu tạo các chi tiết trong hệ thống phân phối khí 2. Nhiệm vụ Xu páp có nhiệm vụ đóng mở của nạp, cửa thải để thực hiện quá trình trao đổi khí. Điều kiện làm việc - Do tiếp xúc trực tiếp với khí cháy nên các xu páp chịu áp lực rất lớn và nhiêỵ độ cao, nhất là đối với xu páp thải. ở động cơ xăng, nhiệt độ xu páp thải có thể đến 800 - 8500C còn ở động cơ diesel có thể tới 500 - 6000C.

Ngoài ra, xu páp còn bị ăn mòn hóa học do các hơi axit trong khi cháy, đặc biệt là với xu páp thải. - Khi xu páp đóng mở, nấm xu páp va đập với đế nên nấm dễ bị biến dạng cong vênh và mòn rỗ bề mặt nấm - Vận tốc lưu động của môi chất qua xu páp là rất lớn. Đối với xu páp thải, vận tốc này có thể lên tới 400 - 600 m/s nên gây ăn mòn bề mặt nấm. Vật liệu - Đối với xu páp thải, thường sử dụng thép hợp kim chịu nhiệt có các thành phần như silic, crom.

Để tiết kiệm vật liệu có thể chế tạo nấm bằng hợp kim chịu nhiệt rồi hàn với thân xu páp bằng thép thông thường. Để chống mòn và chống gỉ, người ta mạ lên bề mặt làm việc của xu páp một lớp mỏng hợp kim côban. - Đối với xu páp nạp, người ta cũng sử dụng thép hợp kim crom, hoặc hợp kim chịu nhiệt có thêm thành phần silic. Tuy nhiên khả năng chịu nhiệt không cần cao như đối với vật liệu của xu páp thải.

Kết cấu Xu páp được chia làm 3 phần: Nấm xu páp, thân xu páp, đuôi xu páp Hình 2.1: Cấu tạo của xu páp 6 * Nấm xu páp: - Nấm bằng Kết cấu của loại nấm bằng là chế tạo đơn giản, có thể dùng cho xu páp nạp lẫn xu páp xả. Vì vậy đa số các động cơ dùng loại xu páp này. - Nấm lõm Xu páp có dạng nấm lõm có đặc điểm là bán kính góc lượn giữa phần thân xu páp và phần nấm rất lớn, thường dùng với xu páp xả. - Nấm lồi Xu páp có dạng nấm lồi, loại này cải thiện được tình trạng lưu động của dòng khí thải (vì mặt nấm lồi, nên hạn chế khu vực tạo thành xoáy lốc khi thải khí).

Chính vì vậy xu páp thải của động cơ cường hoá sử loại dạng nấm lồi.2: Kết cấu nấm xu páp a. Nấm chứa natri(Na) * Thân xu páp Thân xu páp có nhiệm vụ dẫn hướng, tản nhiệt cho nấm xu páp và chịu lực nghiêng khi đóng mở. Phần nối tiếp giữa nấm và thân thường được làm nhỏ lại để dễ gia công và tránh kẹp xu páp trong ống dẫn hướng vì phần dưới của thân có nhiệt độ cao hơn phần trên. Một số xu páp xả trong thân chứa Natri để làm mát.3: Kết cấu thân xu páp a.

Thân xu páp có chứa Natri 7 * Đuôi xupáp - Đuôi xu páp phải có kết cấu để lắp đĩa lò xo, thông thường đuôi có mặt côn hoặc rãnh vòng để lắp móng hãm. Đuôi có kết cấu đơn giản là đuôi có lỗ để lắp chốt nhưng tạo tập trung ứng suất. - Để bảo đảm an toàn, chốt phải được chế tạo bằng vật liệu có sức bền cao - Để tăng khả năng chịu mòn, bề mặt đuôi ở một số động cơ được chế tạo bằng thép ostenit và được tôi cứng.4: Kết cấu đuôi xu páp a. Đuôi xu páp có mặt hình côn c.

Đuôi xu páp có lỗ để lắp chốt b. Đuôi xu páp có rãnh vòng d. Đuôi xu páp chế tạo bằng thép osteni và được tôi cứng 2.