CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHỐI KHÍ ĐỘNG CƠ XĂNG 1. Tổng quan hệ thống phối khí Hệ thống phối khí có nhiệm vụ thực hiện quá trình thay đổi khí trong động cơ. Thải sạch khái thải ra khỏi xylanh và nạp đầy hỗn hợp nạp hoặc không khí mới vào xylanh động cơ để động cơ làm việc được liên tục, ổn định, phát huy hết công suất thiết kế. Trong động cơ đốt trong, sự mở sớm, đồng muộn của các xupap nạp và thải cần được thực hiện một cách chính xác theo góc quay của trục khuỷu và được gọi là pha phối khí.
Thực hiện yêu cầu này đòi hỏi sự phối hợp chặt chẽ giữa pha phối khí của các xylanh với trục khuỷu động cơ nhằm đảm bảo nạp đầy khí nạp, thải sạch khí cháy. Pha phối khí và nguyên lý làm việc của hệ thống phân phối khí: Mô tả nguyên lý làm việc của động cơ bốn kỳ thông qua pha phối khí (a) và độ thị tiết diện - thời gian của pha phối khí (b). Xupap nạp cần được mở sớm hơn (trước ĐCT) và đóng muộn hơn (sau ĐCD). Mức độ mở sớm và đóng muộn các xupap được tính theo góc quay tương ứng của trục khuỷu.
Xupap xả được mở sớm (ở ngay cuối kỳ nổ), (trước ĐCD) và được đóng muộn (sau ĐCT), Quá trình đóng mở các xupap làm thay đổi tiết diện lưu thông không khí và được biểu diễn trên đồ thị tiết diện – thời gian của pha phối khí. Đồ thị pha phân phối khí của động cơ bốn kỳ 2 Để thực hiện được nhiệm vụ đống mở xupap theo pha phối khí, trên động cơ bốn kỳ sử dụng các cấu trúc cơ bản. Cấu tạo cơ bản của cơ cấu phối khí bao gồm: các bộ phận dẫn động trục cam và cam quay (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7), cụm xupap (9, 8). Cụm xupap có nhiệm vụ đóng mở các của nạp và thải khí của buồng đốt theo sự điều khiển của cam quay.
Bộ phận dẫn động cam quay có nhiệm vụ tạo nên sự dịch chuyển (đóng, mở) xupap theo quy luật của pha phối khí động cơ được trình bày theo (Hình 1. Cấu tạo chung của cơ cấu phối khí của động cơ bốn kỳ a.Dẫn động bộ truyền bánh răng; b. Dẫn động qua bộ truyền xích (đai) 1. Trục và cam; 2.
Bánh dẫn cam; 3. Bánh răng trục khuỷu; 4. Khi động cơ bốn kỳ làm việc, một bộ truyền chuyển động quay từ trục khuỷu tới trục cam. Tỷ số truyền của bộ truyền này bằng ½, tức là trục khuỷu quay hai vòng, trục cam sẽ quay một vòng.
Đồ thị công và sơ đồ pha phối khí của động cơ bốn kỳ 1. Vị trí mở xupap nạp; 2. Vị trí đóng xupap nạp; 3’. Vị trí phun nhiên liệu; 3.
Vị trí điểm chết trên; 4. Vị trí cuối quá trình cháy; 5. Vị trí mở xupap thải; 6. Vị trí đóng xupap thải; 3 Các góc φ thể hiện giá trị: φ1 – Góc mở sớm xupap nạp; φ2 – Góc đóng muộn xupap nạp; φ1-2 – Toàn bộ góc mở xupap nạp; φ3 – Góc phun sớm; φ2-3 – Góc ứng với quá trình nén; φ3-4-5 – Góc ứng với quá trình cháy giãn nở; φ5 – Góc mở sớm xupap thải; φ6 – Góc đóng muộn xupap thải; φ5-6 – Toàn bộ góc mở của xupap thải; φ1+ φ6 – Góc trùng điệp của xupap thải và xupap nạp.
Cơ cấu vấu có hình dạng cam, bố trí trên trục quay, tác động vào xupap tạo nên hành trình dịch chuyển tịnh tiến của xupap. Xupap luôn bị lò xo ép vào vị trí đóng kín buồng đốt. Khi cam chuyển động, đỉnh lồi của vấu cam tỳ vào cơ cấu truyền, mở xupap. Khi vấu cam quay đến phần bằng, lo xo xupap có tác dụng đẩy xupap về vị trí đóng.
Sự phối hợp giữa các xupap thông qua việc chế tạo chính xác trục và cam theo pha phối khí của động cơ. Cấu trục của trục dẫn động trục cam rất đa dạng, phụ thuộc vào sự bố trí trục cam xa hay gần trục khuỷu, số lượng xupap, số lượng trục cam cần thiết trên động cơ va yêu cầu hạn chế tiếng ồn phát ra từ cơ cấu. Để nâng cao chất lượng làm việc của động cơ, đặc biệt ở các động cơ có tốc độ cao, quy luật làm việc của pha phối khí được xác định chính xác và có thể được điều chỉnh theo tốc độ của động cơ. Khi động cơ làm việc ở tốc độ cao, các xupap cần được mở sớm, đóng muộn hơn để nâng cao chất lượng quá trình nạp và thải.
Các pha phối khí có thể thay đổi được (Variable Valve Timing – VVT) thực hiện mở rộng hoặc thu hẹp khoảng làm việc như trên đồ thị tiết diện – thời gian của pha phối khí. Các cơ cấu điều khiển pha phối khí như vật đã ứng dụng công nghề điều khiển điện tử, giúp hoàn thiện chất lượng động cơ. Hệ thống phối khí sử dụng xupap treo Cơ cấu xupap treo gồm: trục cam, con đội, đũa đẩy, đòn gánh, lò xo, ống dẫn hướng và đế xupap. Cơ cấu phối khí sủ dụng xupap treo 4 Khi trục cam quay, cam sẽ truyền chuyển động tịnh tiến cho con đội làm cho đũa đẩy chuyển động tịnh tiên do đó làm cho đòn gánh quay quanh trục đòn gánh.
Đầu đòn gánh sẽ đè lên đuôi xupap chuyển động tịnh tiến đi xuống mở của nạp và để thực hiện quá trình trao đổi khí. Vào lúc cam không đội con đội thì lo xo xupap sẽ giãn ra, làm cho xupap chuyển động đi lên đóng của nạp và xả để thực hiện quá trình nén, cháy, giãn nở và sinh công. Ở tư thế này, lúc máy còn nguội, giữa đầu đong gánh và đuôi xupap sẽ có khe hở, gọi là “khe hở nhiệt”. Nhờ nó, khi máy làm việc, do nóng lên, xupap có giãn nở, buồng đốt cũng không bị hở nhiệt.
Ưu điểm: Do xupap được bố trí trong phân không gian của xylanh dạng treo nên kết cấu của buồng cháy trở nên rất gọn, từ đó tăng được tỷ số nén của động cơ và giảm được hiện tượng cháy kích nổ ở động cơ xăng, dòng khí lưu động thuận tiện nên ít gây tổn thất, tạo điều kiện xả sạch và nạp đầy. Nhược điểm: Cơ cấu phối khí sử dụng xupap treo có nhiều chi tiết hơn cơ cấu phối khí sử dụng xupap đặt và được bố trí cả ở thân máy và nắp máy nên làm tăng kích thước ( chiều cao của động cơ) do có nhiều chi tiết nhỏ cho nên lực quán tính của các chi tiết tác dụng lên bề mặt cam và con đội sẽ lớn hơn, nắp máy của động cơ phức tạp hơn cơ cấu sử dụng xupap đặt nên sẽ khó gia công chế tạo hơn từ đó giá thành sẽ đắt hơn loại sử dụng xupap đặt. Hệ thống phối khí sử dụng xupap đặt Cơ cấu phối khí sử dụng xupap đặt như hình, toàn bộ cơ cấu phối khí được đặt ở thân máy gồm có: trục cam, con đội, lò xo xupap, cửa nạp và cửa xả. Trên con đội có lắp bulong để điều chỉnh khe hở xupap, lò xo lồng vào xupap và được hãm vào đuôi xupap bằng móng xupap.
Trục cam được dẫn động qua trục khuỷu qua một cặp bánh răng hay đĩa xích. Cơ cấu phân phối khí có xupap đặt. Loại này thường dùng ở máy xăng. Ở đây không có đũa đẩy, đòn gánh, con đội trực tiếp truyền chuyển động cho xupap.
Thay đổi chiều cao tuyệt đối của con đội bằng bulong và ốc hãm sẽ điều chỉnh được khe hở nhiệt. Loại hệ thống nạp xả có xupap đặt 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 và an toàn hơn loại có xupap treo. Vì giả sử mõng hãm xupap có tuột ra thi xupap cũng không rơi vào xylanh, 5 không gây hư hỏng cho piston, xylanh đặc biệt là trong trường hợp động cơ đang làm việc. Cơ cấu phân phối khí sử dụng xupap đặt 1.
Ống dẫn hướng; 4. Bulong điều chỉnh; 7. Ưu điểm: Do toàn bộ cơ cấu phối khí được bố trí ở phần thân máy nên chiều cao của động cơ lớn; Số chi tiết của cơ cấu ít cho nên lực quán tính của cơ cấu nhỏ từ đó khiến cho bề mặt của trục cam và con đội ít bị mòn. Nhược điểm: Vì kích thước buồng cháy lớn nên sẽ dễ xảy ra hiện tượng cháy kích nổ và do dòng khí nạp và xả lưu thông gió dẫn đến hệ số nạp không cao.
Ngoài ra, trước đây cách bố trí xupap này được phổ biến ở các động cơ ô tô nhưng với các lý do trên dẫn đến hiện nay cơ cấu phối khí này chỉ được dùng trên các động cơ vừa và nhỏ. Hệ thống phối khí thông minh FIAT là hãng xe hơi trên thế giới phát minh ra hệ thống có thể thay đổi thời điểm phối khí bao gồm sự thay đổi về độ nâng van. Được phát triển bởi Giovanni Torazza vào cuối những năm 1960, hệ thống này đã sử dụng áp suất bằng thủy lực để làm thay đổi điểm tựa của cam cho phù hợp ( phát minh US 3.Áp suất thủy lư này thay đổi tuỳ theo tốc độ động cơ và áp suất của van nạp. Độ mở của van có thể thay đổi tới 37%.
Cơ cấu thay đổi thời điểm phối khí của hãng FIAT 6 Vào tháng 9 năm 1975, hãng General Motor phát minh ra hệ thống có ý định là thay đổi độ nâng van. GM đã chú ý đến họng của van nạp nhằm giảm bớt lượng nhiệt thoát ra. Bằng cách giảm đến mức tối thiểu lượng nâng van tại tải trọng thấp mà vẫn giữ được tốc độ nạp cao, do đó làm nhỏ lại họng nạp. GM đã không giải quyết được vấn đề khi hoạt động ở độ nâng rất thấp nên dự án đã bị bỏ dở.
Hãng Alfa Romeo là hãng sãn xuất xe đầu tiên đã sử dụng hệ thống thay đổi thời điểm độ nâng van trong sản xuất xe (phát minh US 4. Chiếc xe Alfa Romeo Spider 2.0L năm 1980 đã sử dụng hệ thống VVT với hệ thống phun xăng Spica và được bán ở Mỹ. Về sau nó cũng còn được sử dụng trên model xe Alfetta 2.0 QuandrifoglioOro vào năm 1983 cũng như các loại xe khác. Nissan cũng phát triển hệ thống VVT riêng của họ với động cơ VG30DE(TT) cho loại xe Concept Mid-4 của họ.
Nissan đã tập trung chính vào việc sản xuất hệ thống NVCS của mình (Nissan Valve- Timing Control System) tại tốc độ momen xoắn nhỏ và trung bình, bởi vì phần lớn động cơ không hoạt động nhiều ở tốc độ cao.