Luận văn: Khảo sát hệ thống phân phối khí S-VT động cơ Skyactiv-G 2.0 Mazda 6

Luận văn nghiên cứu, tính toán hệ thống phân phối khí S-VT trên động cơ Skyactiv G2.0 Mazda 6. Phân tích thông số và phương pháp sửa chữa.

• Tác giả: Lê Văn Bảo
• Người hướng dẫn: Gs. Trần Văn Nam
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Cơ khí Giao thông
• Đề tài: Khảo sát và tính toán kiểm nghiệm hệ thống phân phối khí S - VT ở động cơ Skyactiv - G2.0 trên xe Mazda 6
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Đà Nẵng

Tóm tắt

I. Khám phá S VT động cơ Skyactiv G 2

Động cơ Skyactiv-G 2.0 là một bước đột phá của Mazda, kết hợp nhiều công nghệ tiên tiến để tối ưu hóa hiệu suất và giảm tiêu thụ nhiên liệu. Trọng tâm của triết lý này là hệ thống điều khiển van biến thiên tuần tự, hay còn gọi là Sequential Valve Timing (S-VT). Hệ thống này không chỉ là một cải tiến đơn thuần; nó là một giải pháp kỹ thuật phức tạp, cho phép điều chỉnh thời điểm phối khí một cách linh hoạt theo từng điều kiện vận hành của động cơ. Khác với các động cơ truyền thống có thời điểm đóng mở van cố định, S-VT trên động cơ Skyactiv-G 2.0 có khả năng xoay trục cam nạp và cam xả một cách độc lập. Điều này giúp tối ưu hóa quá trình nạp không khí và thải khí cháy, trực tiếp cải thiện mô-men xoắn ở vòng tua thấp và công suất tối đa ở vòng tua cao. Theo tài liệu nghiên cứu “Khảo sát và tính toán kiểm nghiệm hệ thống phân phối khí S-VT” của Lê Văn Bảo (Đại học Bách khoa Đà Nẵng, 2019), hệ thống này có thể thay đổi góc phối khí lên đến 40 độ góc quay trục khuỷu, một phạm vi điều chỉnh rất lớn. Sự thành công của công nghệ Skyactiv-G không chỉ đến từ S-VT mà còn là sự cộng hưởng với các yếu tố khác như tỷ số nén cao (lên đến 14:1), hệ thống phun xăng trực tiếp GDI, và thiết kế đường xả 4-2-1 độc đáo. Tất cả cùng nhau tạo ra một động cơ đốt trong hiệu quả, mạnh mẽ và thân thiện với môi trường hơn.

1.1. Giới thiệu tổng quan về công nghệ Skyactiv G

Công nghệ Skyactiv-G là một bộ giải pháp toàn diện của Mazda nhằm cải thiện hiệu quả của động cơ đốt trong. Thay vì chạy theo xu hướng giảm dung tích và tăng áp, Mazda tập trung vào việc hoàn thiện các nguyên lý cơ bản của động cơ. Các yếu tố cốt lõi bao gồm việc tăng tỷ số nén cao để tối đa hóa hiệu suất nhiệt, sử dụng hệ thống phun xăng trực tiếp GDI để làm mát buồng đốt và chống kích nổ, thiết kế piston có đỉnh lõm đặc biệt và hệ thống xả 4-2-1 giúp giảm khí sót. Trong đó, hệ thống S-VT đóng vai trò then chốt trong việc điều phối luồng khí, đảm bảo động cơ hoạt động tối ưu ở mọi dải tốc độ. Mục tiêu của Skyactiv-G là mang lại trải nghiệm lái thú vị, đồng thời đạt được mức tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải động cơ ấn tượng.

1.2. Vai trò của hệ thống điều khiển van biến thiên S VT

Hệ thống S-VT (Sequential Valve Timing) là trái tim của việc quản lý dòng khí trong động cơ Skyactiv-G. Vai trò chính của nó là thay đổi thời điểm phối khí, tức là thời điểm các xupap nạp và xả đóng/mở so với vị trí của piston. Bằng cách làm cho xupap nạp mở sớm hơn hoặc muộn hơn và xupap xả đóng sớm hơn hoặc muộn hơn, S-VT có thể tối ưu hóa lượng không khí nạp vào và hiệu quả xả khí thải ra khỏi xi-lanh. Điều này mang lại lợi ích kép: tăng mô-men xoắn ở tốc độ thấp để xe tăng tốc tốt hơn, và tăng công suất tối đa ở tốc độ cao để đạt hiệu năng vận hành vượt trội. Hơn nữa, việc điều chỉnh góc trùng lặp (thời điểm cả van nạp và van xả cùng mở) giúp giảm nhiệt độ buồng đốt, giảm khí NOx và cải thiện đáng kể khả năng tiết kiệm nhiên liệu.

II. Thách thức của thời điểm phối khí cố định trên động cơ

Các động cơ thế hệ cũ với thời điểm phối khí cố định luôn phải đối mặt với một sự đánh đổi cố hữu. Một thiết kế trục cam tối ưu cho công suất ở vòng tua cao sẽ làm cho động cơ hoạt động yếu và không ổn định ở vòng tua thấp. Ngược lại, một trục cam được thiết kế cho mô-men xoắn tốt ở dải tốc độ thấp lại làm hạn chế sức mạnh của động cơ khi cần tăng tốc nhanh. Vấn đề này nảy sinh do luồng không khí và khí thải có quán tính và vận tốc thay đổi theo tốc độ động cơ. Ở tốc độ thấp, việc đóng van nạp muộn có thể khiến một phần hòa khí bị đẩy ngược trở lại đường nạp. Ở tốc độ cao, thời gian đóng mở van ngắn lại không đủ để nạp đầy xi-lanh hoặc xả sạch khí cháy. Điều này dẫn đến hiệu suất động cơ không được tối ưu trên toàn dải vận hành, gây lãng phí nhiên liệu và tăng lượng khí thải động cơ độc hại. Việc không thể thay đổi thời điểm phối khí chính là rào cản lớn nhất ngăn các động cơ truyền thống đạt được sự cân bằng hoàn hảo giữa sức mạnh, sự êm ái và tính kinh tế. Đây chính là thách thức mà công nghệ Skyactiv-G với hệ thống S-VT đã giải quyết một cách triệt để.

2.1. Hạn chế về hiệu suất động cơ và mô men xoắn

Trên động cơ không có van biến thiên, hiệu suất động cơ chỉ đạt đỉnh ở một dải tốc độ hẹp. Ví dụ, nếu góc mở sớm của van nạp được thiết kế cho tốc độ 6000 vòng/phút, thì ở tốc độ 2000 vòng/phút, quán tính dòng khí nạp chưa đủ lớn. Điều này có thể gây ra hiện tượng hòa khí bị đẩy ngược ra ngoài, làm giảm áp suất nén hiệu dụng và khiến mô-men xoắn yếu đi. Hậu quả là xe tăng tốc chậm, cảm giác lái thiếu linh hoạt khi di chuyển trong đô thị. Ngược lại, nếu tối ưu cho vòng tua thấp, động cơ sẽ bị "nghẹt" ở vòng tua cao, không thể nạp đủ lượng hòa khí cần thiết, dẫn đến không đạt được công suất tối đa. Sự đánh đổi này là một hạn chế cơ bản mà các kỹ sư luôn tìm cách khắc phục.

2.2. Vấn đề về tiết kiệm nhiên liệu và khí thải động cơ

Thời điểm phối khí không tối ưu cũng ảnh hưởng trực tiếp đến việc tiết kiệm nhiên liệu và mức độ phát thải. Khi quá trình nạp không đầy và xả không sạch, hiệu suất đốt cháy giảm, đòi hỏi phải phun nhiều nhiên liệu hơn để tạo ra cùng một mức công suất. Lượng khí sót (khí cháy còn lại trong xi-lanh từ chu kỳ trước) cao làm tăng nhiệt độ buồng đốt, tạo điều kiện hình thành các oxit nitơ (NOx) độc hại. Việc không thể điều chỉnh góc trùng lặp của van một cách linh hoạt cũng ngăn cản việc áp dụng hiệu ứng EGR nội (Internal Exhaust Gas Recirculation), một kỹ thuật hiệu quả để giảm phát thải NOx. Do đó, các động cơ truyền thống thường phải dựa vào các hệ thống xử lý khí thải phức tạp và tốn kém hơn để đáp ứng các tiêu chuẩn môi trường ngày càng khắt khe, trong khi khí thải động cơ Skyactiv-G được kiểm soát hiệu quả hơn ngay từ bên trong buồng đốt.

III. Phương pháp S VT cam xả Tối ưu bằng áp suất dầu OCV

Trên động cơ Skyactiv-G 2.0 của Mazda 6, hệ thống S-VT cho trục cam xả hoạt động dựa trên nguyên lý thủy lực, một phương pháp đã được chứng minh về độ tin cậy và hiệu quả. Thành phần trung tâm của cơ cấu này là van điều khiển dầu OCV (Oil Control Valve). Van này là một loại van điện từ (solenoid), nhận tín hiệu điều khiển trực tiếp từ ECU động cơ. Dựa trên các dữ liệu đầu vào như tốc độ động cơ, tải, nhiệt độ nước làm mát, ECU động cơ sẽ tính toán góc xoay tối ưu cho trục cam xả. Sau đó, nó sẽ gửi tín hiệu điều khiển (dạng xung PWM) đến van điều khiển dầu OCV. Van OCV sẽ điều hướng dòng áp suất dầu bôi trơn của động cơ vào các khoang bên trong bộ chấp hành S-VT gắn ở đầu trục cam. Bộ chấp hành S-VT có cấu tạo gồm một rotor gắn với trục cam và một stator gắn với bánh răng xích. Bằng cách thay đổi áp suất dầu giữa các khoang làm sớm (advance) và làm trễ (retard), rotor sẽ xoay tương đối so với stator, từ đó thay đổi thời điểm phối khí của van xả. Cơ cấu này cho phép điều chỉnh góc đóng muộn của van xả, giúp tận dụng quán tính dòng khí thải để "hút" sạch buồng đốt, giảm khí sót và cải thiện hiệu suất nạp ở chu kỳ tiếp theo.

3.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của van điều khiển dầu OCV

Van điều khiển dầu OCV là một van điện từ có một piston trượt bên trong. Khi không có tín hiệu điện từ ECU, lò xo sẽ giữ piston ở một vị trí mặc định. Khi ECU động cơ cấp điện, cuộn dây solenoid sẽ tạo ra một từ trường, kéo piston di chuyển và mở hoặc đóng các đường dầu tương ứng. Có ba trạng thái hoạt động chính: làm sớm góc mở, làm trễ góc mở, và giữ nguyên vị trí. Tùy thuộc vào chu kỳ làm việc (duty cycle) của tín hiệu PWM từ ECU, van OCV sẽ điều chỉnh chính xác lượng dầu chảy vào các khoang của bộ chấp hành, qua đó kiểm soát góc xoay của trục cam một cách mượt mà và nhanh chóng. Đây là một cơ cấu thông minh, sử dụng chính áp suất dầu bôi trơn có sẵn của động cơ để thực hiện nhiệm vụ điều khiển.

3.2. Phân tích bộ chấp hành S VT thủy lực trên trục cam xả

Bộ chấp hành S-VT trên trục cam xả là một cụm cơ khí chính xác. Vỏ ngoài của nó (stator) được dẫn động bởi xích cam từ trục khuỷu. Bên trong là một cánh gạt (rotor) được gắn chặt vào đầu trục cam. Giữa stator và rotor có các khoang dầu được ngăn cách bởi các phớt làm kín. Khi dầu được bơm vào khoang "làm sớm", áp suất sẽ đẩy cánh gạt xoay theo chiều quay của động cơ, làm cho thời điểm mở van xả sớm hơn. Ngược lại, khi dầu được bơm vào khoang "làm trễ", cánh gạt sẽ bị đẩy xoay ngược chiều, làm trễ thời điểm phối khí. Khi áp suất ở hai khoang cân bằng, trục cam sẽ được khóa ở vị trí đó. Để đảm bảo hệ thống hoạt động chính xác, cảm biến vị trí trục cam (CMP) liên tục gửi tín hiệu về góc quay thực tế của trục cam về ECU để tạo thành một vòng lặp điều khiển kín.

IV. Phân tích S VT cam nạp Điều khiển điện chính xác cao

Điểm đặc biệt và tiên tiến nhất trên hệ thống S-VT động cơ Skyactiv-G 2.0 là việc sử dụng cơ cấu điều khiển bằng điện cho trục cam nạp, thay vì thủy lực. Giải pháp này mang lại tốc độ phản ứng nhanh hơn và độ chính xác cao hơn rất nhiều, đặc biệt là khi động cơ còn lạnh và áp suất dầu bôi trơn chưa ổn định. Theo tài liệu phân tích của Lê Văn Bảo (2019), cơ cấu này sử dụng một động cơ điện không chổi than (BLDC motor) tích hợp cùng một bộ truyền bánh răng hành tinh hoặc bánh răng sóng (harmonic drive) để tạo ra sự xoay tương đối giữa bánh răng xích và trục cam nạp. ECU động cơ sẽ gửi tín hiệu trực tiếp đến motor điện để điều khiển góc xoay. Hệ thống này không phụ thuộc vào nhiệt độ hay độ nhớt của dầu, cho phép điều chỉnh thời điểm phối khí ngay từ lúc khởi động. Tốc độ đáp ứng cực nhanh của motor điện cho phép ECU thực hiện các thuật toán điều khiển phức tạp hơn, tối ưu hóa quá trình nạp khí trong từng mili giây. Việc áp dụng điều khiển điện cho cam nạp là một minh chứng cho thấy sự đầu tư nghiêm túc của Mazda vào việc hoàn thiện động cơ đốt trong, giúp cải thiện đáng kể hiệu suất động cơ và khả năng phản hồi chân ga.

4.1. Ưu điểm của cơ cấu điều khiển điện so với thủy lực

Cơ cấu điều khiển S-VT bằng điện cho trục cam nạp sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội. Thứ nhất là tốc độ phản ứng nhanh hơn đáng kể, cho phép thay đổi góc phối khí gần như tức thời. Thứ hai, nó hoạt động độc lập với hệ thống dầu bôi trơn, không bị ảnh hưởng bởi áp suất dầu bôi trơn thấp khi khởi động lạnh hoặc dầu bị bẩn. Điều này tăng cường độ tin cậy và sự ổn định. Thứ ba, độ chính xác điều khiển cao hơn, cho phép ECU hiệu chỉnh góc quay với sai số rất nhỏ. Cuối cùng, nó tiêu thụ ít năng lượng hơn vì chỉ cần cấp điện khi cần thay đổi góc, trong khi hệ thống thủy lực luôn cần duy trì áp suất. Những ưu điểm này giúp tối ưu hóa hiệu quả chu trình Atkinson ở tải nhẹ, góp phần lớn vào khả năng tiết kiệm nhiên liệu.

4.2. Vai trò của ECU và các cảm biến trong điều khiển S VT

Để hệ thống Dual S-VT hoạt động hài hòa và chính xác, ECU động cơ đóng vai trò là bộ não trung tâm. Nó liên tục nhận và xử lý tín hiệu từ hàng loạt cảm biến: cảm biến vị trí trục khuỷu (CKP) để biết tốc độ và vị trí piston, cảm biến vị trí trục cam (CMP) cho cả cam nạp và cam xả để biết góc quay thực tế, cảm biến lưu lượng khí nạp (MAF), cảm biến vị trí bướm ga (TPS), cảm biến nhiệt độ... Dựa trên một bản đồ vận hành (map) được lập trình sẵn, ECU sẽ tính toán góc phối khí mục tiêu cho cả hai trục cam và gửi tín hiệu điều khiển đến van điều khiển dầu OCV (cam xả) và motor điện (cam nạp). Đây là một hệ thống điều khiển vòng kín phức tạp, liên tục so sánh giá trị thực tế với giá trị mục tiêu và hiệu chỉnh để đảm bảo thời điểm phối khí luôn ở trạng thái tối ưu nhất.

V. Hướng dẫn chẩn đoán lỗi hệ thống S VT động cơ Skyactiv G

Mặc dù hệ thống S-VT trên động cơ Skyactiv-G được thiết kế bền bỉ, nhưng sau một thời gian vận hành, các vấn đề vẫn có thể phát sinh. Việc chẩn đoán hệ thống S-VT đòi hỏi sự hiểu biết về cả cơ khí, thủy lực và điện tử. Khi hệ thống gặp sự cố, các triệu chứng phổ biến bao gồm động cơ nổ không ổn định ở chế độ không tải, mất công suất, tiêu thụ nhiên liệu tăng đột ngột, và đèn báo lỗi động cơ (Check Engine) sáng. ECU động cơ có khả năng tự chẩn đoán và sẽ lưu lại các mã lỗi khi phát hiện sự sai lệch giữa góc phối khí mục tiêu và góc phối khí thực tế. Các mã lỗi thường gặp liên quan đến hệ thống này là mã lỗi P0011 (Thời điểm trục cam A - Vị trí quá sớm) và mã lỗi P0012 (Thời điểm trục cam A - Vị trí quá trễ). Việc chẩn đoán chính xác thường bắt đầu bằng việc đọc mã lỗi bằng máy chẩn đoán, sau đó kiểm tra các yếu tố cơ bản như mức dầu và áp suất dầu bôi trơn, vì hệ thống thủy lực của cam xả rất nhạy cảm với tình trạng dầu. Tiếp theo là các bước kiểm tra chuyên sâu hơn về điện và cơ khí.

5.1. Nhận biết và xử lý mã lỗi P0011 và mã lỗi P0012

Mã lỗi P0011 thường xuất hiện khi trục cam đang ở vị trí sớm hơn so với yêu cầu của ECU. Nguyên nhân có thể do van điều khiển dầu OCV bị kẹt ở vị trí mở, đường dầu đến khoang "làm sớm" bị tắc, hoặc do vấn đề cơ khí với bộ chấp hành S-VT. Ngược lại, mã lỗi P0012 xuất hiện khi trục cam bị trễ hơn mong muốn, thường do OCV bị kẹt ở vị trí đóng, áp suất dầu thấp, hoặc đường dầu bị rò rỉ. Việc xử lý bắt đầu bằng kiểm tra điện trở và hoạt động của van OCV, kiểm tra vệ sinh lưới lọc của van. Nếu van OCV hoạt động tốt, cần kiểm tra áp suất dầu và tình trạng của bộ chấp hành. Việc bỏ qua các mã lỗi này có thể dẫn đến hư hỏng động cơ nghiêm trọng.

5.2. Sơ đồ mạch điện S VT và quy trình bảo dưỡng động cơ Mazda

Việc tham khảo sơ đồ mạch điện S-VT là rất quan trọng khi chẩn đoán các lỗi liên quan đến điện. Sơ đồ sẽ cho thấy kết nối từ ECU đến các cảm biến (CMP, CKP) và cơ cấu chấp hành (OCV, motor điện). Kỹ thuật viên có thể đo kiểm tra tín hiệu, điện áp và điện trở tại các điểm quan trọng để xác định xem lỗi đến từ dây dẫn, giắc cắm hay bản thân linh kiện. Về bảo dưỡng động cơ Mazda để hệ thống S-VT hoạt động bền bỉ, điều quan trọng nhất là thay dầu đúng định kỳ và sử dụng đúng loại dầu có cấp chất lượng theo khuyến cáo của nhà sản xuất. Dầu sạch và đúng độ nhớt đảm bảo áp suất dầu bôi trơn ổn định và giữ cho van OCV cùng các đường dầu nhỏ bên trong bộ chấp hành không bị tắc nghẽn bởi cặn bẩn. Việc kiểm tra và vệ sinh van OCV định kỳ cũng là một phần quan trọng của quy trình bảo dưỡng.

VI. Kết luận Vai trò của hệ thống S VT trong công nghệ Skyactiv

Hệ thống Dual S-VT trên động cơ Skyactiv-G 2.0 Mazda 6 không chỉ là một tính năng đơn lẻ, mà là một thành phần không thể thiếu trong triết lý công nghệ tổng thể của Mazda. Bằng cách kết hợp khéo léo giữa cơ cấu điều khiển thủy lực cho cam xả và điều khiển điện cho cam nạp, Mazda đã tạo ra một hệ thống có khả năng đáp ứng linh hoạt, chính xác và đáng tin cậy. Nó cho phép động cơ phá vỡ sự đánh đổi truyền thống giữa mô-men xoắn và công suất, mang lại hiệu suất động cơ vượt trội trên toàn dải tốc độ. Hệ thống này là yếu tố then chốt giúp động cơ Skyactiv-G có thể vận hành với tỷ số nén cao mà không gặp hiện tượng kích nổ, đồng thời tối ưu hóa quá trình đốt cháy để đạt được mức tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải động cơ hàng đầu phân khúc. Phân tích sâu về S-VT cho thấy rằng, tương lai của động cơ đốt trong không chỉ nằm ở các công nghệ đột phá mà còn ở việc tinh chỉnh và hoàn thiện các nguyên lý cơ bản đến mức hoàn hảo. Hệ thống S-VT chính là một minh chứng sống động cho cam kết này của Mazda.

6.1. Tóm tắt lợi ích Hiệu suất tiết kiệm và giảm phát thải

Tóm lại, hệ thống Dual S-VT mang lại ba lợi ích cốt lõi. Về hiệu suất động cơ, nó cải thiện mô-men xoắn ở vòng tua thấp và công suất tối đa ở vòng tua cao, mang đến cảm giác lái mạnh mẽ và linh hoạt. Về tiết kiệm nhiên liệu, khả năng điều chỉnh thời điểm phối khí linh hoạt cho phép động cơ chạy ở chu trình Atkinson hiệu quả hơn khi tải nhẹ, giảm đáng kể mức tiêu thụ xăng. Về môi trường, hệ thống giúp giảm khí sót, kiểm soát nhiệt độ buồng đốt và giảm sự hình thành NOx, giúp khí thải động cơ sạch hơn, đáp ứng các tiêu chuẩn khắt khe mà không cần các hệ thống xử lý phức tạp. Đây là một giải pháp toàn diện, cân bằng giữa hiệu năng và trách nhiệm.

6.2. Tương lai của hệ thống điều khiển van biến thiên trên Mazda

Thành công của Dual S-VT trên thế hệ Skyactiv-G là nền tảng vững chắc cho những cải tiến trong tương lai. Mazda có thể sẽ tiếp tục phát triển công nghệ này theo hướng tăng phạm vi điều chỉnh góc, tăng tốc độ phản ứng, và thậm chí tích hợp khả năng thay đổi cả độ nâng của van (variable valve lift). Các hệ thống điều khiển điện hoàn toàn (cho cả cam nạp và cam xả) có thể sẽ trở thành tiêu chuẩn. Sự kết hợp giữa hệ thống S-VT ngày càng thông minh với các công nghệ khác như Đánh lửa nén đồng nhất (SPCCI) trên động cơ Skyactiv-X cho thấy tiềm năng to lớn trong việc đẩy xa hơn nữa giới hạn hiệu quả của động cơ đốt trong, khẳng định vị thế tiên phong của Mazda trong lĩnh vực công nghệ động cơ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÍ TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG Công suất của động cơ đốt trong phụ thuộc rất nhiều vào sự làm việc của các nhóm cơ cấu, hệ thống như hệ thống nhiên liệu, hệ thống làm mát, hệ thống bôi trơn, nhóm piston - thanh truyền. Trong đó thì hệ thống phân phối khí là hệ thống ảnh hưởng trực tiếp đến công suất của động cơ cũng như hiệu quả sử dụng nhiên liệu và quyết định đến vấn đề ô nhiễm môi trường. Hệ thống phân phối khí thực hiện quá trình thay đổi môi chất công tác trong buồng cháy động cơ, giúp nạp đầy hỗn hợp hoặc không khí mới vào xilanh động cơ và xả sạch khí cháy ra khỏi xilanh để động cơ làm việc được liên tục, hiệu quả. Hệ thống phân phối khí làm việc trong điều kiện chịu tải trọng cơ học cao, luôn chịu nhiệt độ cao từ buồng cháy, chịu mài mòn cũng như tải trọng va đập lớn.

Từ điều kiện làm việc này thì đòi hỏi hệ thống phân phối khí phải đáp ứng những yêu cầu khắc khe như là hệ thống phân phối khí phải nạp đầy môi chất và xả sạch sản phẩm cháy, đóng mở xupap đúng quy luật và đúng thời gian quy định, độ mở lớn để dòng khí dễ dàng lưu thông. Ngoài ra còn phải đóng kín khi làm việc, xupap xả không tự mở trong quá trình nạp. Đóng xupap phải kín nhằm đảm bảo áp suất nén, quá trình cháy không bị lọt khí. Các chi tiết trong hệ thống phân phối khí phải ít mòn, tiếng ồn nhỏ khi làm việc, dễ dàng điều chỉnh, sửa chữa và giá thành chế tạo thấp.

Hệ thống phân phối khí trong động cơ đốt trong có nhiều kiểu, tùy thuộc vào mục đích sử dụng cũng như cách bố trí, thuận tiện khi sửa chữa mà có thể chia ra: • Hệ thống phân phối khí dùng xupap: là loại hệ thống được sử dụng rộng rãi trong động cơ 4 kỳ vì nó có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, dễ điều chỉnh, làm việc chính xác và hiệu suất cao. Hệ thống phân phối khí dùng xupap lại chia ra: ➢ Hệ thống phân phối khí dùng xupap treo. ➢ Hệ thống phân phối khí dùng xupap đặt. • Hệ thống phân phối khí dùng van trượt là loại hệ thống có nhiều ưu điểm như tiết diện lưu thông lớn, dễ làm mát và ít tiếng ồn.

• Hệ thống phân phối khí dùng piston đóng mở cửa nạp và cửa xả: là loại hệ thống phân phối khí của động cơ hai kỳ quét vòng hoặc quét thẳng. Loại này có kết cấu Sinh viên thực hiện: Lê Văn Bảo Hướng dẫn: GS. Trần Văn Nam 2 Khảo sát và tính toán kiểm nghiệm hệ thống phân phối khí S - VT ở động cơ Skyactiv - G2.0 trên xe Mazda 6 đơn giản, không phải điều chỉnh nhưng chất lượng quá trình trao đổi khí không cao. • Hệ thống phân phân phối khí hỗn hợp dùng cửa nạp và xupap xả: dùng trên động cơ hai kỳ quét thẳng.

• Hệ thống phân phối khí cho động cơ 2 kỳ và động cơ 4 kỳ. Trong động cơ hai kỳ, quá trình nạp đầy môi chất mới vào xilanh động cơ chỉ chiếm khoảng 1200 đến 1500 góc quay trục khuỷu. Quá trình xả trong động cơ hai kỳ chủ yếu dùng không khí quét có áp suất lớn hơn áp suất khí trời để đẩy sản vật cháy ra ngoài. Ở quá trình này sẽ xảy ra sự hòa trộn giữa không khí quét với sản vật cháy, đồng thời cũng có các khu vực chết trong xilanh không có khí quét tới.

Chất lượng các quá trình xả sạch sản vật cháy và nạp đầy môi chất mới trong động cơ hai kỳ chủ yếu phụ thuộc vào đặc điểm của hệ thống quét xả. Hiện nay thì động cơ 2 kỳ không còn được sử dụng phổ biến, chủ yếu chỉ sử dụng động cơ 4 kỳ. Hiện nay trên động cơ hai kỳ thường sử dụng các hệ thống quét xả sau: ➢ Hệ thống quét vòng đặt ngang theo hướng song song.1 Cơ cấu dùng hộp cacte để quét khí. 1 - Piston; 2 - Thanh truyền; 3 - Trục khuỷu.

Sinh viên thực hiện: Lê Văn Bảo Hướng dẫn: GS. Trần Văn Nam 3 Khảo sát và tính toán kiểm nghiệm hệ thống phân phối khí S - VT ở động cơ Skyactiv - G2.0 trên xe Mazda 6 Đặc điểm: dùng cacte làm máy nén khí để tạo ra không khí quét. Cửa quét thường đặt xiên lên hoặc đỉnh piston có kết cấu đặc biệt để dẫn hướng dòng không khí quét trong xilanh. Được sử dụng chủ yếu trên động cơ hai kỳ cỡ nhỏ.

➢ 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 không khí quét vào xilanh sẽ theo hướng đi lên tới nắp xilanh mới vòng xuống cửa xả. Đây là hệ thống quét xả hoàn hảo nhất, nó cho các chỉ tiêu công tác của động cơ và áp suất không khí quét lớn.

➢ Hệ thống quét vòng đặt ngang phức tạp. Đặc điểm: có hai hàng cửa quét, hàng trên đặt cao hơn cửa xả, bên trong có bố trí van một chiều để sau khi đóng kín cửa xả 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 xả sau khi kết thúc quét khí nhằm giảm tổn thất khí quét.

➢ Hệ thống quét thẳng qua xupap xả. Đặc điểm: cửa quét đặt xung quanh xilanh theo hướng tiếp tuyến. Xupap xả được đặt trên nắp xilanh. Dòng khí quét chỉ đi theo một chiều từ dưới lên nắp xilanh rồi theo xupap xả ra ngoài nên dòng không khí quét ít bị hòa trộn với sản vật cháy và khí xả 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 Sinh viên thực hiện: Lê Văn Bảo Hướng dẫn: GS. Trần Văn Nam 4 Khảo sát và tính toán kiểm nghiệm hệ thống phân phối khí S - VT ở động cơ Skyactiv - G2.0 trên xe Mazda 6 tốt hơn, đồng thời làm tăng tiết diện lưu thông nên giảm được sức cản trong quá trình quét khí.2 Cơ cấu quét thẳng qua xupap xả. 1 - Cam; 2 - Xupap; 3 - Piston; 4 - Bơm quét khí.

Trên động cơ 4 kỳ việc xả sạch khí xả và nạp đầy môi chất mới được thực hiện bởi cơ cấu cam - xupap, cơ cấu này được sử dụng rất đa dạng. Tùy theo cách bố trí xupap và trục cam, người ta chia hệ thống phân phối khí của động cơ bốn kỳ thành nhiều loại khác nhau như hệ thống phân phối khí dùng xupap treo, hệ thống phân phối khí dùng xupap đặt. ➢ Hệ thống phân phối khí dùng xupap đặt: Xupap được lắp ở một bên thân máy ngay trên trục cam và được trục cam dẫn động xupap thông qua con đội. Xupap nạp và xupap xả của các xilanh có thể bố trí theo nhiều kiểu khác nhau.

Bố trí xen kẽ hoặc bố trí theo từng cặp một. Khi bố trí từng cặp xupap cùng tên, các xupap nạp có thể dùng chung đường nạp nên làm cho đường nạp trở thành đơn giản hơn. Ưu điểm của phương án này là chiều cao động cơ giảm xuống, kết cấu của nắp xilanh đơn giản, dẫn động xupap cũng dễ dàng. Tuy vậy có khuyết điểm là buồng cháy không gọn, có dung tích lớn.

Một khuyết điểm nữa là đường nạp, xả phải bố trí trên thân máy phức tạp cho việc đúc và gia công thân máy, đường xả, nạp khó thanh thoát, tổn thất nạp xả lớn. Sinh viên thực hiện: Lê Văn Bảo Hướng dẫn: GS. Trần Văn Nam 5 Khảo sát và tính toán kiểm nghiệm hệ thống phân phối khí S - VT ở động cơ Skyactiv - G2.0 trên xe Mazda 6 Hình 1.3 Hệ thống phân phối khí dùng xupap đặt. 1 - Đế xupap; 2 - Xupap; 3 - Ống dẫn hướng xupap; 4 - Lò xo; 5 - Móng hãm; 6 - Bulông điều chỉnh; 7 - Đai ốc hãm; 8 - Con đội; 9 - Cam.

➢ Hệ thống phân phối khí dùng xupap treo: Xupap 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 xupap. Khi dùng xupap treo có ưu điểm: tạo được buồng cháy gọn, diện tích mặt truyền nhiệt nhỏ vì vậy giảm được tổn thất nhiệt. Đường nạp, xả 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 xupap hợp lý nên có thể tăng được tiết diện lưu thông của dòng khí. Tuy vậy hệ thống phân phối khí dùng xupap treo cũng tồn tại một số khuyết điểm như dẫn động xupap 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 xupap, trục cam có thể bố trí trên nắp xilanh để dẫn động trực tiếp hoặc dẫn động qua đòn bẫy. Trường hợp trục cam bố trí ở hộp trục khuỷu hoặc ở thân máy, xupap được dẫn động gián tiếp qua con đội, đũa đẩy, đòn bẫy. Sinh viên thực hiện: Lê Văn Bảo Hướng dẫn: GS. Trần Văn Nam 6 Khảo sát và tính toán kiểm nghiệm hệ thống phân phối khí S - VT ở động cơ Skyactiv - G2.0 trên xe Mazda 6 Hình 1.4 Hệ thống phân phối khí dùng xupap treo.

1 - Xupap; 2 - Nắp; 3 - Đũa đẩy; 4 - Con đội. Khi bố trí xupap treo thành hai dãy thì dẫn động xupap rất phức tạp. Có thể sử dụng phương án dẫn động xupap dùng một trục cam dẫn động gián tiếp qua các đòn bẩy hoặc có thể dùng hai trục cam dẫn động trực tiếp.5 Các phương án dẫn động xupap. a - Các xupap được đặt xen kẽ trên nắp xilanh; b - Xupap được dẫn động trực tiếp; c - Xupap được dẫn động thông qua đòn bẫy.