thuyết minh đồ án tốt nghiệp khảo sát hệ thống phân phối khí trên động cơ duratec 1

thuyết minh đồ án tốt nghiệp khảo sát hệ thống phân phối khí trên động cơ duratec 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên : Nguyễn Duy Trúc

2 Các số liệu ban đầu:

Tài liệu sữa chữa động cơ Duratec của nhà sản xuất Ford

3 Nội dung phần thuyết minh:

3.1.Giới thiệu đề tài

3.2.Tổng quan về hệ thống phân phối khí trong động cơ đốt trong

3.3.Khảo sát cơ cấu phân phối khí trong động cơ Duratec

3.4.Tính toán các thông số cơ bản của cơ cấu phân phối khí động cơ Duratec3.5 Tính kiểm nghiệm các chi tiết trong cơ cấu phân phối khí động cơ Duratec3.6 Những hư hỏng, phương pháp kiểm tra sữa chữa các chi tiết của cơ cấu phân phối khí động cơ Duratec

3.7 Kết luận

4 Các bản vẽ và đồ thị:

- Bản vẽ kết cấu của cơ cấu thay đổi được góc phân phối khí (VTEC)

- Bản vẽ mặt cắt động cơ Duratec

- Bản vẽ sơ đồ hệ thống nạp động cơ Duratec

- Bản vẽ sơ đồ bố trí và dẫn động xupáp trong động cơ Duratec

- Bản vẽ các phương án dẫn động trục cam

- Bản vẽ dẫn động trục cam của động cơ Duratec

- Bản vẽ kết cấu các chi tiết trong cơ cấu phân phối khí động cơ Duratec

- Bản vẽ kết cấu bộ xoay cam trong cơ cấu phân phối khí động cơ Duratec

5 Cán bộ hướng dẫn: TS Dương Việt Dũng

7 Ngày hoàn thành : Ngày 30 tháng 5 năm 2008

Thông qua bộ môn

Ngày … tháng … năm 2008

toàn bộ bản báo cáo cho bộ môn.Ngày … tháng… năm 2008

Ngày … tháng … năm 2008

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

(Ký, ghi rõ họ tên).

MỤC LỤC

Lời nói đầu 2

1 Tổng quan về hệ thống phân phối khí trong động cơ đốt trong 3

1.1 Mục đích, phân loại, yêu cầu của hệ thống 3

1.2 Hệ thống phân phói khí dùng trong động cơ 2 kỳ 4

1.3 Hệ thống phân phối khí dùng trong động cơ 4 kỳ 5

1.4 Các chi tiết, cụm chi tiết trong cơ cấu phân phối khí động cơ 4 kỳ 9

1.5 Một số cơ cấu phân phối khí hiện đại 16

2 Khảo sát hệ thống phân phối khí trong động cơ Duratec 21

2.1 Giới thiệu về động cơ 21

2.2 Hệ thống nạp, thải của động cơ 23

2.3 Đặc điểm hệ thống phân phối khí trong động cơ Duratec 31

2.4 Hệ thống thay đổi góc phân phối khí 42

2.5 Kết cấu hệ thống thay đổi góc phân phối khí 46

3 Tính toán các thông số cơ bản của cơ cấu phân phối khí 54

3.1 Xác định kích thướt tiết diện lưư thông 54

3.2 Phân tích chọn dạng cam 57

3.3 Dựng hình cam lồi 57

3.4 Động học con đội đáy bằng 62

4 Tính kiểm nghiệm các chi tiết trong cơ cấu phân phối khí 65

4.1 Quy dẫn khối lượng các chi tiết máy 66

4.2 Tính toán lò xo xupáp 66

4.3 Tính kiểm nghiệm trục cam 70

4.4 Tính bền con đội 73

4.5 Tính bền xupáp 73

5 Những hư hỏng và phương pháp kiểm tra sữa chữa các chi tiết trong cơ cấu 74

5.1 Những hư hỏng 74

5.2 Các phương pháp kiểm tra phân loại chi tiết 74

5.3 Phương pháp kiểm tra sữa chữa các chi tiết của cơ cấu phân phối khí động cơ Duratec 75

6 Kết luận 83

Tài liệu tham khảo 84

LỜI NÓI ĐẦU

Động cơ đốt trong ngày nay đang phát triển rất mạnh mẽ cả về số lượng lẫn chất lượng, nó đóng một vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực kinh tế, xã hội, khoa học công nghệ Là nguồn động lực cho các phương tiện vận tải như ôtô, máy kéo, tàu thuỷ, máy bay và các máy động cơ cở nhỏ v.v

Đối với một sinh viên kỹ thuật, đồ án tốt nghiệp đóng một vai trò rất quan trọng Đề tài tốt nghiệp được thầy giao cho em là khảo sát hệ thống phân phối khí trên động cơ DURATEC Tuy là một đề tài quen thuộc đối với sinh viên nhưng mục đích của đề tài rất thiết thực, nó không những giúp cho em có điều kiện để chuẩn lại các kiến thức đã học ở trường mà còn có thể hiểu biết kiến thức nhiều hơn khi tiếp xúc với thực tế Hệ thống phân phối khí của động cơ DURATEC có nhiều đặc điểm mới lạ Do đó việc khảo sát động cơ này thật sự đã đem đến cho em nhiều điều hay và

bổ ích.

Được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của thầy Dương Việt Dũng, các thầy

cô trong khoa cùng với việc tìm hiểu, tham khảo các tài liệu liên quan và vận dụng các kiến thức được học, em đã cố gắng hoàn thành đề tài này Mặc dù vậy, do kiến thức của em có hạn lại thiếu kinh nghiệm thực tế nên đồ án sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Em mong các thầy cô góp ý, chỉ bảo thêm để kiến thức của em ngày càng hoàn thiện hơn

Cuối cùng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn "Dương Việt Dũng” cùng các thầy cô trong khoa và các bạn đã nhiệt tình giúp đỡ để em có thể hoàn thành đồ án này

Sinh viên thực hiện

1 Tổng quan về hệ thống phân phối khí của động cơ đốt trong:

1.1 Mục đích, phân loại, yêu cầu hệ thống phân phối khí:

1.1.1 Mục đích:

Hệ thống phân phối khí có nhiệm vụ thực hiện quá trình thay đổi khí trong động

cơ Thải sạch khí thải ra khỏi xilanh và nạp đầy hỗn hợp nạp hoặc không khí mới vào xilanh động cơ để động cơ làm việc được liên tục, ổn định, phát huy hết công suất thiết kế

1.1.2 Yêu cầu:

Cơ cấu phối phải đảm bảo các yêu cầu sau: Quá trình thay đổi khí phải hoàn hảo, nạp đầy thải sạch Đóng mở xupáp đúng quy luật và đúng thời gian quy định Độ mở lớn để dòng khí lưu thông, ít trở lực Đóng xupáp phải kín nhằm đảm bảo áp suất nén, không bị cháy do lọt khí Xupáp thải không tự mở trong quá trình nạp Ít va đập, tránh gây mòn Dễ dàng điều chỉnh, sửa chữa, giá thành chế tạo thấp.

1.1.3 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 tuy có nhiều 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 rất ít được dùng

Trong một số động cơ hai kỳ, việc nạp thải khí bằng lỗ (quét vòng), piston của chúng làm nhiệm vụ của van trượt, đóng mở lỗ thải và lỗ nạp Loại dùng trong động

cơ này không có cơ cấu dẫn động van trượt riêng nên vẫn dùng cơ cấu khuỷu trục – thanh truyền dẫn động piston

Cơ cấu phân phối khí hỗn hợp thường dùng lỗ để nạp và xupáp để thải khí

1.2 Hệ thống phân phối khí dùng trong động cơ hai 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 thải 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 thải 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 thải

Hiện nay trên động cơ hai kỳ thường sử dụng các hệ thống quét thải sau:

+ Hệ thống quét vòng đặt ngang theo hướng song song:

Đặc điểm: Dùng cácte 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.

+ 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 thải

Đây là hệ thống quét thải 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 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 lổ 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 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

Hình 1-1 Một số phương án quét thải trên động cơ hai kỳ.

a) - Hệ thống quét thẳng dùng piston đối đỉnh; b) - Hệ thống quét vòng đặt ngang theo hướng lệch tâm; c) - Hệ thống quét vòng đặt ngang phức tạp; d) - Hệ thống quét thẳng

qua xupáp thải; e) - Hệ thống quét vòng đặt một bên

1.3 Hệ thống phân phối khí trong động cơ bốn kỳ:

Trên động cơ bốn kỳ việc thải sạch khí thải và nạp đầy môi chất mới được thực hiện bởi cơ cấu cam - xupáp, cơ cấu cam - xupáp được sử dụng rất đa dạng Tùy theo cách bố trí xupáp và trục cam, người ta chia cơ cấu phân phối khí của động cơ bốn kỳ thành nhiều loại khác nhau như cơ cấu phối khí dùng xupáp treo, cơ cấu phối khí dùng xupáp đặt…

I.3.1 Các phương án bố trí xupáp và dẫn động xupáp:

+ Cơ cấu phân phối khí dùng xupáp đặt:

Xupáp được lắp ở một bên thân máy ngay trên trục cam và được trục cam dẫn động xupáp thông qua con đội Xupáp nạp và xupáp thải 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 xupáp cùng tên, các xupáp nạp có thể dùng chung đường nạp nên làm cho đường nạp trở thành đơn giản hơn

Hình 1-2 Cơ cấu phân phối khí dùng xupáp đặt.

1 – Trục cam; 2 – Thân máy; 3 – Con đội; 4 – Đế lò xo xupáp; 5 – Lò xo xupáp; 6 –

Ống dẫn hướng; 7 – Xupáp; 8 – Bánh răng dẫn động bánh răng cam;

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

Tuy vậy có khuyết điểm là buồng cháy không gọn, có dung tích lớn Một khuyết điểm nữa là đường nạp, thải phải bố trí trên thân máy phức tạp cho việc đúc và gia công thân máy, đường thải, nạp khó thanh thoát, tổn thất nạp thải lớn

+ Cơ cấu phân phối khí dùng xupáp treo:

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 bẫy 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 bẫy…

Hình 1-3 Cơ cấu phân phối khí dùng xupáp treo.

1 – Trục cam; 2 – Con đội; 3 – Đũa đẩy; 4 – Vít điều chỉnh; 5 – Trục đòn bẫy; 6 – Đòn bẫy; 7 – Đế chặn lò xo; 8 - Lò xo xupáp; 9 - Ống dẫn hướng; 10 – Xupáp; 11 –

Dây đai; 12 – Bánh răng trục khuỷu

Khi bố trí xupáp treo thành hai dãy, dẫn động xupáp rất phức tạp Có thể sử dụng phương án dẫn động xupáp dùng một trục cam dẫn động gián tiếp qua các đòn bẩy, hoặc có thể dùng hai trục cam dẫn động trực tiếp

Hình 1-4 Các phương án dẫn động xupáp

a) – Các xupáp được đặt xen kẽ trên nắp xilanh; b) – Xupáp được dẫn động trực

tiếp; c) – Xupáp được dẫn động thông qua đòn bẫy

Trong một số động cơ xăng, xupáp có khi bố trí theo kiểu hỗn hợp: xupáp nạp đặt trên thân máy còn xupáp thải lắp chéo trên nắp xilanh Khi bố trí như thế kết cấu của

cơ cấu phân phối khí rất phức tạp nhưng có thể tăng được tiết diện lưu thông rất nhiều

do đó có thể tăng khả năng cường hóa động cơ Kết cấu này thường dùng trong các loại động cơ xăng tốc độ cao

Kết luận: So sánh ưu khuyết điểm của hai phương án bố trí xupáp đặt và treo thấy

rằng: Động cơ diezel chỉ dùng xupáp treo, do tạo được ε cao còn động cơ xăng có thể dùng xupáp treo, hay đặt nhưng ngày nay thường dùng hệ thống phân phối khí kiểu treo Động cơ sử dụng hệ thống phân phối khí kiểu treo có hiệu suất nhiệt cao hơn Dùng hệ thống phân phối khí kiểu treo tuy làm cho kết cấu quy lát rất phức tạp

và dẫn động cũng phức tạp nhưng đạt hiệu quả phân phối khí rất tốt Hệ thống phân phối khí xupáp treo chiếm ưu thế tuyệt đối trong động cơ 4 kỳ

1.3.2 Phương án bố trí trục cam và dẫn động trục cam:

Trục cam có thể đặt trong hộp trục khuỷu hay trên nắp máy:

Loại trục cam đặt trong hộp trục khuỷu được dẫn động bằng bánh răng cam Nếu khoảng cách giữa trục cam với trục khuỷu nhỏ thường chỉ dùng một cặp bánh răng Nếu khoảng cách trục lớn, phải dùng thêm các bánh răng trung gian hoặc dùng xích răng

Loại trục cam đặt trên nắp máy 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 Tuy vậy, khi khoảng cách giữa trục cam với trục khuỷu lớn thì phương án này phải dùng thêm nhiều bánh răng trung gian Điều đó làm cho thân máy thêm phức tạp (vì phải lắp nhiều trục để lắp bánh răng trung gian ) và cơ cấu dẫn động trở nên cồng kềnh, khi làm việc thường có tiếng ồn

Truyền động bằng xích có nhiều ưu điểm như gọn nhẹ, có thể dẫn động được trục cam ở khoảng cách lớn Tuy vậy phương án này có nhược điểm là đắt tiền vì giá thành chế tạo của xích đắt hơn bánh răng nhiều Khi xích bị mòn gây nên tiếng ồn và làm sai lệch pha phân phối

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

1.4 Các chi tiết, cụm chi tiết chính trong cơ cấu phân phối khí:

1.4.1 Trục cam: Nhiệm vụ của trục cam là dẫn động và điều khiển việc đóng mở

xupáp hút và thải đúng theo chu kì hoạt động của động cơ

Hình 1-6 Kết cấu trục cam

1 – Đầu trục cam; 2 – Cổ trục cam; 3 – Các vấu cam; 4 – Cam lệch tâm bơm xăng; 5 –

Bánh răng dẫn động bơm dầu bôi trơn

Trên trục cam có các vấu cam hút và xả cho mỗi xilanh Thời điểm đóng mở xupáp phụ thuộc vào biên dạng cam Trục cam bao gồm các phần cam thải, cam nạp

và các cổ trục Ngoài ra trên một số động cơ trên trục cam còn có vấu cam dẫn động

tự làm việc, góc độ phối khí và số kì của động cơ Cam có thể được chế tạo liền trục hoặc có thể làm rời từng cái rồi lắp trên trục bằng then hoặc đai ốc

Vật liệu chế tạo trục cam thường là thép hợp kim có thành phần cacbon thấp như thép 15X, 15MH, 12XH hoặc thép cacbon có thành phần trung bình như thép 40 hoặc thép 45 Các mặt ma sát của trục cam (mặt làm việc của trục cam, của ổ trục, của mặt đầu trục cam…) đều thấm than và tôi cứng

+ Cổ trục cam: Có hai loại đủ cổ và thiếu cổ Nếu số cổ trục là Z và số xilanh là i thì:

Số cổ loại đủ cổ là Z = (i + 1) thường dùng ở động cơ điêzen Số cổ loại trốn cổ Z = (i/2 + 1) thường dùng ở động cơ xăng

luồn thì kích thước cổ phải còn lớn hơn các phần khác của trục cam Đôi khi để dễ lắp người ta làm đường kính các cổ khác nhau, cổ có đường kính nhỏ nhất ở phía cuối trục

Các ổ trục cam được ép trên thân máy đều là ống thép có tráng hợp kim chịu mài mòn như ba bít, hợp kim đồng chì, hợp kim nhôm

Nếu trục cam lắp theo kiểu đặt, phải dùng ổ hai nửa, một nửa đúc trên thân hay nắp xilanh, nửa kia làm thành nắp ổ rồi lắp lại bằng bulông hay gu giông, kết cấu này dùng ở động cơ công suất lớn và một số động cơ có trục cam 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 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

1.4.2 Con đội:

Nhiệm vụ: Là chi tiết trung gian dùng để truyền chuyển động từ trục cam 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:

+ Con đội hình nấm và hình trụ:

Là loại con đội đáy bằng dùng phổ biến trên các loại động cơ, con đội hình nấm dùng cho hệ thống phối khí xupáp đặt, đôi khi dùng cho xupáp kiểu treo, con đội được khoét rỗng để lắp với đũa đẩy, phần cầu lõm phải có rc lớn hơn r đũa đẩy khoảng (0,2

÷ 0,3) mm Sở dĩ làm như vậy là để tránh hiện tượng mòn vẹt mặt con đội (hoặc mặt cam) khi đường tâm con đội không thẳng góc với đường tâm trục cam

Khi mặt tiếp xúc là mặt cầu, con đội tiếp xúc với mặt cam tốt hơn, nên tránh được hiện tượng cào xước

Loại con đội hình nấm được dùng rất nhiều trong cơ cấu phân phối khí xupáp đặt Thân con đội thường nhỏ, đặc, vít điều chỉnh khe hở xupáp bắt trên phần đầu của thân

Hình 1-8 Kết cấu con đội hình trụ và hình nấm.

+ Con đội con lăn: Gồm có thân, lò xo chặn, chốt và con lăn Lò xo chặn có tác dụng không cho con đội xoay Ngoài ra, còn có bulông bắt trong thân máy để con đội hoạt động đúng hướng

Hình 1-9 Kết cấu con đội con lăn

Con lăn được nhiệt luyện để chịu mài mòn Cơ cấu con đội con lăn có tác dụng làm giảm ma sát vì vậy làm giảm được mức tiêu nhiên liệu

+ Con đội thủy lực: Để tránh hiện tượng có khe hở nhiệt gây ra tiếng ồn và va đập,

trong các xe du lịch cao cấp người ta thường dùng loại con đội thủy lực Dùng loại con đội này sẽ không còn tồn tại khe hở nhiệt

Ngoài ra, dùng con đội thủy lực còn có một ưu điểm đặc biệt là có thể tự động thay đổi trị số thời gian tiết diện của cơ cấu phân phối khí Vì khi tốc độ động cơ tăng lên,

do khả năng rò rỉ dầu giảm đi, nên xupáp mở sớm hơn khi chạy với tốc độ này, điều

đó rất có lợi đối với quá trình nạp của động cơ

Dùng con đội thủy lực, tuy có nhiều ưu điểm như trên, nhưng điều cần đặc biệt chú

ý là con đội thủy lực làm việc tốt hay xấu phụ thuộc rất 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

1.4.3 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 trong lượng, đũa đẩy thường làm bằng

ống thép rỗng hai đầu hàn gắn với các đầu tiếp xúc

hình cầu (đầu tiếp xúc với con đội) hoặc mặt cầu lõm

(đầu tiếp xúc với vít điều chỉnh) Đôi khi cả hai đầu

tiếp xúc của đũa đẩy đều là hình cầu

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

1.4.4 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

Kết cấu: 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 tiếp xúc với đuôi xupáp thường

có mặt tiếp xúc hình trụ được tôi cứng Nhưng cũng có khi dùng vít để khi mòn thay thế được dễ dàng

Hình 1-10 Các dạng đũa đẩy

Mặt ma sát giữa trục và bạc lót ép trên đòn bẩy được bôi trơn bằng dầu nhờn chứa trong phần rỗng của trục Ngoài ra trên đòn bẩy người ta còn khoan lỗ để dẫn dầu đến bôi trơn mặt tiếp xúc với đuôi xupáp và mặt tiếp xúc của vít điều chỉnh.

Vât liệu chế tạo: Đòn bẩy đựợc dập bằng thép cácbon thành phần cácbon trung bình

1.4.5 Xupáp:

Nhiệm vụ của xupáp là: Cho khí nạp vào buồng đốt và xả khí cháy ra ngoài với thời gian ngắn trong một chu kì làm việc của piston Xupáp hoạt động được theo chiều thẳng đứng nhờ vào ống dẫn hướng xupáp

Miệng xupáp được vát 300 hoặc 450 để được đóng kín với đế xupáp và dẫn nhiệt truyền qua xupáp khi xupáp đóng Xupáp được làm bằng thép chịu nhiệt vì xupáp nạp phải chịu nhiệt độ khoảng 4000C và xupáp xả phải chịu nhiệt độ 500 – 8000C

Kết cấu xupáp được chia làm 3 phần: Phần nấm, phần thân và phần đuôi Phần nấm do chịu tác dụng của áp suất khí thể và chịu tác dụng của lực quán tính nên khi làm việc chịu va đập lớn gây biến dạng Phần đuôi có nhiệm vụ định vị lò xo khi lắp ráp Để tránh hao mòn thân máy và nắp xilanh người ta thường ép vào họng đường ống nạp và thải một vòng đế xupáp

Vật liệu chế tạo:Miếng tăng cứng là một hợp kim: Cobalt (Co) Crom (Cr) và Tungsten (W) Hợp kim này rất cứng, chịu được mài mòn cao và chống lại sự oxy hóa

ở nhiệt độ cao Miếng tăng cứng này được hàn vào mặt xupáp hay đế xupáp để tăng khả năng chịu nhiệt

Hình 1-12 Kết cấu xupáp

a) - Nấm bằng; b) – Nấm lõm; d, đ,e) – Nấm lồi; c) – Nấm xupáp được làm rỗng

1.4.6 Đế xupáp: Để tránh hao mòn thân máy người ta dùng đế xupáp ép vào họng của

đường ống nạp và đường ống thải

Hình 1-13 Kết cấu đế xupáp

a) - Đế có mặt ngoài dạng hình trụ; b) - Đế mặt ngoài hình côn; c) - Đế lắp vào nắp

xilanh bằng ren; d) - Đế ép khi bị lỏng ra; e) - Đế có ren

Đế có mặt ngoài là mặt trụ có tiện rãnh để khi ép kim loại biến dạng vào rãnh giữ chắc đế xupáp Có khi mặt ngoài là mặt côn Loại này có khi không ép sát đáy mà để khe hở nhỏ hơn 0,04mm để còn ép tiếp khi bị lỏng ra Có loại đế lắp vào thân máy hoặc nắp xilanh bằng ren Loại đế mà sau khi lắp phải cán bề mặt nắp máy để kim loại biến dạng giữ chặt đế Loại này ít dùng

1.4.7 Ống dẫn hướng:

Để dễ sữa chữa và tránh hao mòn cho thân máy hoặc nắp xilanh ở chỗ lắp xupáp, người ta lắp ống dẫn hướng trên các chi tiết máy này Xupáp được lắp vào ống dẫn hướng theo chế độ lắp lỏng

Ống dẫn hướng thường chế tạo bằng các loại gang hợp kim có tổ chức peclít Trong một số động cơ cao tốc còn dùng ống dẫn hướng bằng hợp kim 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 1-14 Kết cấu ống dẫn hướng

b)

c)

e)

1.4.7 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 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 1-15 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…

1.5 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 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 sẽ làm thay đổi được góc phân phối khí phù hợp với từng dãi tốc độ của động cơ, đảm bảo được yêu cầu của cuộc sống đặt ra như việc sử dụng động cơ có tính kinh tế cao, tiết kiệm được lượng nhiên liệu tối thiểu khi sử dụng Động cơ phải phát huy được hết công suất ở những dải tốc độ khác nhau Ngoài ra động cơ khi làm việc cũng đảm bảo nhiều qui định về mức độ ô nhiễm môi trường của các quốc gia cũng như yêu cầu về kinh tế của người tiêu dùng Tuy các biện pháp tiến hành cải tiến của các hãng sản xuất khác nhau nhưng đều tìm cách điều khiển và chế tạo các cơ cấu để dẫn động cơ cấu phối khí gần với giá trị tính toán lý thuyết lý tưởng

1.5.1 Sự khác nhau giữa cơ cấu phân phối khí hiện đại và cổ điển:

Ngoài những đặc điểm và cấu tạo giống cơ cấu phối khí cổ điển Cơ cấu phối khí hiện đại còn có những bộ phận đóng vai trò điều khiển thay đổi thời điểm đóng mở của xupáp theo tốc độ của động cơ Nhờ đó mà cơ cấu phối khí hiện đại luôn luôn làm việc ở điều kiện tối ưu nhất

Đối với một cơ cấu phân phối khí hiện đại sẽ khác cơ cấu phối khí cổ điển ở những

bộ phận sau: Bộ cảm ứng tốc độ quay, cơ cấu thực hiện thay đổi thời điểm đóng mở xupáp, hệ thống điều khiển điện tử

Bộ cảm ứng có nhiệm vụ giám sát sự thay đổi tốc độ quay của động cơ và truyền tín hiệu về bộ điều khiển điện tử

Cơ cấu thay đổi thời điểm đóng mở của xupáp có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ bộ điều khiển điện tử và thực hiện theo những tín hiệu nhận được

Bộ điều khiển điện tử có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ bộ cảm ứng, xử lí tín hiệu và truyền tín hiệu đến cơ cấu thực hiện thay đổi thời điểm đóng mở của xupáp

1.5.2 Đặc điểm cơ cấu phân phối VTEC của hãng Honda:

Cụm từ VTEC (Variable Valve Timing and lift Electronic Control System) Có nghĩa là: Hệ thống điều chỉnh góc độ phối khí kết hợp với sự thay đổi qui luật nâng của xupáp bằng điện tử

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 – 16 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

VẤ U CAM DẪ N ĐỘ NG Ở TỐ C ĐỘ THẤ P

1

Hình1-16 Hoạt động DOHC-VTEC ở số vòng quay thấp

1 - Piston A; 2 - Piston B; 3 - Piston chặn; 4 - Đòn bẩy thứ nhất; 5 - Đòn bẩy trung gian; 6 - Đòn bẩy thứ hai; 7 - Lò xo; 8 - Vấu cam dẫn động ở tốc độ thấp

Ở số vòng quay cao: Khi hoạt động ở số vòng quay cao, dưới âp lực của dầu sẽ đẩy piston A dịch chuyển về bín phải theo hướng mũi tín trín hình Lăm cho đòn bẩy thứ nhất, thứ hai vă đòn bẩy trung gian được nối với nhau thănh một khối chuyển động thống nhất Tất cả câc đòn bẩy di chuyển bởi cam ở tốc độ cao Điều đó có nghĩa

lă câc xupâp được điều chỉnh thời điểm vă qui luật nđng khi hoạt động ở tốc độ cao

Hình 1-17 Hoạt động của DOHC-VTEC ở số vòng quay cao

1 - Piston A; 2 - Piston B; 3 - Piston chặn; 4 - Đòn bẩy thứ nhất; 5 - Đòn bẩy trung gian; 6 - Đòn bẩy thứ hai; 7 - Lò xo; 8 - Vấu cam dẫn 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 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.

* Nguyên lý làm việc cơ cấu phân phối SOHC VTEC:

Ở số vòng quay thấp: Khi động cơ hoạt động ở số vòng quay thấp đòn bẩy thứ nhất và thứ hai hoạt động riêng lẻ, không được liên kết với nhau Lúc này các piston thủy lực A và B chưa hoạt động và vấu cam ở giữa không tham gia vào chuyển động đóng mở các xupáp

7 3

2 1

6 5

4

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 trên 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

7 3

2 1

Hình 1-19 Hoạt động của SOHC-VTEC ở số vòng quay cao

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;

Hệ thống điều khiển: Cơ cấu DOHC – VTEC và SOHC – VTEC được điều khiển bởi các máy tính kiểm tra liên tục tình trạng và những thay đổi trạng thái làm việc của động cơ như tải trọng, nhiệt độ nước làm mát, số vòng quay động cơ, tốc độ của xe Những tín hiệu này được truyền đến bộ vi xử lí để xử lí các tín hiệu rồi từ đó điều khiển một cách chính xác hoạt động của cơ cấu phân phối khí của động cơ dưới mọi điều kiện

1.5.3 Cơ cấu phân phối khí dùng hệ thống điều khiển xoay cam:

Cùng với hãng Toyota, hãng Ford đã đi đầu trong lĩnh vực chú tâm cải tiến hệ thông phân phối khí và đã cho ra đời nhiều thế hệ ôtô với tính năng hiện đại Trong đó

có hệ thống điều khiển xoay trục cam nạp hay gọi là hệ thống điều khiển VVT – i (tên gọi của hãng Toyota) Với hệ thống này nhằm thay đổi góc phân phối khí của các xupáp phù hợp với từng dãi tốc độ làm việc của động cơ được ra đời trong nhưng năm gần đây và sử dụng rộng rãi ở Việt Nam trên các loại xe như: Camry, Corolla Altis, Vios, Escape, Transit…

VVT-i là hệ thống điều khiển thời điểm phối khí phù hợp với chế độ làm việc của động cơ VVT-i là cụm từ viết tắt từ tiếng anh: Varaible Valve Timing –intelligent (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 VVT-i thì góc phân phối có thể thay đổi theo điều kiện làm việc của động cơ

Hệ thống VVT-i 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 Đặc điểm kết cấu và nguyên lý làm việc của hệ thống VVT – i sẽ được phân tích ở phần 2 (Phần khảo sát cơ cấu phân phối khí của động cơ Duratec HE do hãng Ford sản xuất)

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 Tuy nhiên 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 thông điều khiển phức tạp Việc bảo quản, sữa chữa khó khăn, giá thành cao

2 Khảo sát và tính toán hệ thống phân phối khí trong động cơ Duratec:

2.1 Giới thiệu động cơ Duratec:

Động cơ Duratec do hãng Ford sản xuất, được lắp trên xe Escape 2.3L Escape 2.3L là xe du lịch một phiên bản hoàn toàn mới của làn xe Escape nói chung Xe được thiết kế 2 cầu chủ động (4 x 4) Cùng với các trang thiết bị tiêu chuẩn là những cải tiến

về các trang thiết bị nội, ngoại thất làm cho Escape 2.3L có những tính năng vượt trội

so với các dòng xe đương thời Về ngoại thất, cụm đèn pha theo dạng chóa đèn màu đen mới mang lại tầm nhìn tốt hơn cho người điều khiển Bên trong cabin, bảng điều khiển trung tâm với vòng tròn bạc viền quanh cụm đồng hồ cùng với ánh sáng xanh của các nút điều khiển giúp người lái dễ dàng quan sát đảm bảo tính an toàn khi điều khiển xe Hệ thống phanh đĩa bốn bánh kết hợp với hệ thống chống bó cứng ABS cùng với hệ thống phân phối lực phanh điện tử EBD Hai túi khí cùng dây đai an toàn đảm bảo an toàn tối đa cho người lái và hành khách khi xảy ra va chạm…

Hơn hết xe được trang bị động cơ Duratec, một trong những động cơ có tính năng vượt trội so với những động cơ đương thời Duratec là động cơ xăng với 4 xilanh được đặt thẳng hàng, 16 xupáp Các xupáp đựợc dẫn động trực tiếp từ cam Cam được

đặt trên nắp máy, gồm 2 trục cam dẫn động xupáp (DOHC) Duratec 2.3L tích hợp hệ thống điều khiển van biến thiên VCT (Variable Cam Timing) cho phép tối ưu hóa thời gian, thời điểm, góc đóng mở của xupáp làm tăng công suất động cơ, tiết kiệm được nhiên liệu

Bên cạnh đó động cơ còn tích hợp hệ thống xúc tác lọc khí thải, hệ thống đóng mở cửa gió thứ cấp VICS (Variable Inertia Charging System) và hệ thống van điều khiển tạo xoáy dòng khí nạp TSCV (Tumble Swirl Control Valve) Dùng hệ thống phun xăng điện tử theo chu kỳ Với những cải tiến này mang lại cho động cơ hoạt động tốt nhất ở mọi chế độ làm việc

1 2

19 20 21 22

18 8

18 – Xéc măng; 19 – Chốt piston; 20 – Thanh truyền; 21 – Phớt chắn dầu; 22 – Đuôi trục khuỷu; 23 – Đai ốc; 24 – Bạc lót; 25 – Chốt khuỷu; 26 – Cổ trục khuỷu

Công nhận rằng công suất của động cơ phụ thuộc rất lớn vào khối lượng và thành phần khí nạp Rõ ràng rằng lượng không khí đi vào xilanh trong quá trình nạp sẽ phụ thuộc vào việc xilanh của động cơ được thải sạch ở mức độ nào đó trong chu trình trước Trong chu trình làm việc của động cơ đốt trong cần thải sạch sản vật cháy của chu trình trước ra khoải xi lanh để nạp đầy môi chất mới vào xilanh động cơ Hai quá trình nạp và thải liên quan mật thiết với nhau Vì vậy kết cấu của hệ thống nạp thải phải thiết kế sao cho động cơ làm việc với hiệu quả cao nhất.

Các quá trình trao đổi khí không chỉ có quan hệ với nhau mà việc tạo hướng chuyển động của mồi mới khí nạp trong thời gian nạp ở xilanh động cơ phụ thuộc vào việc phân bố các xupáp trên nắp xilanh Đây là một trong những yếu tố cơ bản có khả năng cải thiện việc tạo thành hỗn hợp và đôt cháy

Các thí nghiệm chỉ ra rằng, để trao đổi khí tốt hơn xupáp nạp cần được mở sớm khi píttông đến điểm chết trên còn xupáp xả cần đóng muộn sau ĐCT

Như vậy theo những nhận định trên, các hệ thống nạp và thải của động cơ ảnh hưởng trực tiếp đến hệ thống phân phối khí của động cơ như: Thời gian đóng mở các xupáp, kết cấu các chi tiết trong cơ cấu phân phối khí cũng như việc bố trí các xupáp…Vì vậy khi phân tích đặc điểm các chi tiết trong cơ cấu phân phối khí chúng

ta cần phân tích đặc điểm kết cấu của hệ thống và nạp thải trong động cơ

2.2.1 Đặc điểm hệ thống nạp trong động cơ Duratec:

Theo nguyên lý động cơ đốt trong, lượng môi chất nạp vào xi lanh trong mỗi chu trình động cơ bốn kỳ phụ thuộc nhiều nhất vào độ chênh áp suất của môi chất trước xupáp nạp (pk) và áp suất môi chất trong xilanh (pa) Suốt kỳ nạp áp suất trong xi lanh đều thấp hơn pk Sự chênh áp ấy tạo nên dòng chảy của môi chất mới đi vào xilanh qua xupáp nạp, nó ảnh hưởng đến trợ lực của xupáp nạp đối với dòng chảy

Hệ số nạp ηv là một trong những thông số đặc trưng cơ bản của động cơ trong

quá trình trao đổi môi chất Đó là tỷ số giữa lượng môi chất mới thực tế nạp vào xilanh ở đầu quá trình nén khi đã đóng các cửa nạp và cửa thải so với lượng môi chất mới theo lý thuyết có thể nạp đầy vào thể tích công tác của xilanh ở điều kiện nhiệt độ

và áp suất của môi chất trước xupáp nạp Ảnh hưởng đến hệ số nạp có rất nhiều yếu tố như: Tỷ số nén, áp suất cuối quá trình nạp, kết cấu đường ống nạp…

Sức cản của đường nạp: Tổn thất áp suất khi nạp là ∆p a =p0 −p a Tổn thất ∆p a

càng lớn thì áp suất pa càng nhỏ và do đó mật độ mồi mới khí nạp trong xilanh và hệ

số khí nạp càng nhỏ Tổn thất của đường nạp có thể tính theo công thức:

2 ).

1 (

2k

p a = +ξBn ρk ω

∆

Với ξBn là hệ số cản của hệ thống nạp, đặc trưng cho tính chất đường nạp ví dụ

như tiết diện lưu thông qua xupáp nạp

k

ω là tốc độ trung bình của mồi mới khí nạp ở tiết diện đặc trưng của xupáp nạp

Như vậy tốc độ dòng khí nạp ảnh hưởng rất lớn đến tổn thất áp suất ∆p a

Một trong những biện pháp làm tăng hệ số nạp là bố trí bốn xupáp cho mỗi xilanh động cơ Sức cản của hệ thống nạp phụ thuộc đáng kể vào chỗ ngặt, co thắt và độ nhám bề mặt của xupáp

Trong hệ thống nạp của động cơ, xupáp nạp là nơi có tiết diện lưu thông nhỏ nhất nên trở thành bộ phận quan trọng nhất của lực cản đường nạp Tăng đường kính xupáp

sẽ mở rộng tiết diện lưu thông qua xupáp, nhưng lại bị hạn chế bởi vị trí và cấu tạo của xupáp Việc tăng hành trình cực đại, tăng tốc độ đóng mở các xupáp, tăng thời gian giữ xupáp ở vị trí mở lớn nhất, đều làm tăng khả năng lưu thông qua xupáp Thế nhưng những vấn đề trên đều bị giới hạn bởi phụ tải động do lực quán tính của cơ cấu phân phối khí tạo ra Mặt khác khi xupáp đã mở hết hành trình khoảng cách từ mép nấm đến thành cũng gây ảnh hưởng đến lực cản của dòng chảy Khoảng cách trên nếu nhỏ sẽ làm giảm hiệu suất lưu thông của tiết diện sát thành xilanh và làm tăng lực cản.Ngoài ra trong quá trình nạp của động cơ, sóng áp suất trong đường nạp cũng ảnh hưởng rất nhiều đến việc nạp đầy môi chất mới vào xilanh Các sóng này được truyền qua lại trong đường ống nạp tạo nên hiệu ứng động của dao động áp suất Nếu sóng nén được truyền đến khu xupáp mà xupáp chưa đóng sẽ làm tăng áp suất ở khu vực trước xupáp và làm tăng số nạp Khi tốc độ động cơ tăng thì vận tốc dòng khí lưu thông qua xupáp nạp cũng tăng theo Sự dao động của dòng khí nạp phụ thuộc vào sự đóng mở xupáp nạp

Từ những đặc điểm phân tích như trên trong hệ thống nạp và với mục đích cải thiện hệ thống nạp để hiệu suất của động cơ là cao nhất ở mọi dãi tốc độ Hệ thống nạp trong động cơ Duratec được thiết kế với hình dạng đường nạp là tốt nhất Đường nạp được làm bằng nhựa cứng làm giảm trọng lượng cho động cơ Cùng với những cơ cấu điều khiển dòng khí nạp sao cho phù hợp như: Cơ cấu biến thiên đường nạp, có thể làm cho đường nạp dài thêm hoặc ngắn lại làm tăng mômen xoắn của động cơ từ dãi tốc độ thấp lên tốc độ cao Cơ cấu đóng mở van xoáy lốc khí nạp khi đi vào trong xilanh động cơ điều này cải thiện được sự phát xạ ô nhiễm của nhiên liệu cháy Bộ phận cộng hưởng làm giảm tiếng ồn trong quá trình nạp Những tính năng này làm cho động cơ Duratec luôn tạo ra được hiệu suất làm việc cao ở mọi chế độ làm việc

Hình 2-2 Sơ đồ hệ thống nạp không khí động cơ Duratec.

1- Buồng cộng hưởng; 2 - Ống lấy gió ngoài; 3 – Lọc gió; 4 – Buồng cộng hưởng; 5 –

Cổ nạp; 6 – Cơ cấu đóng mở van xoáy lốc khí nạp; 7 – Cơ cấu đóng mở van biến thiên đường nạp; 8 – Van điện từ biến thiên đường nạp; 9 – Van điện từ xoáy lốc khí nạp;

10 – Buồng chân không; 11 – Cụm bướm ga

* Chức năng của hệ thống biến thiên đường nạp:

Hệ thống biến thiên đường nạp làm tăng mô-men cho động cơ từ dãi tốc độ thấp

đến cao Làm thay đổi chiều dài đường ống nạp khi tốc độ của động cơ vượt quá

4.600 (vòng/ phút) để làm tăng hiệu suất trong quá trình nạp Điều này làm cho động

cơ đạt được mômen cao hơn ở mọi dãi tốc độ

+ Tác dụng của quá trình nạp môi chất theo quán tính:

Sự dao động của dòng khí trong cổ nạp phụ thuộc vào sự đóng mở của xupáp nạp Khi xupáp nạp đóng, không khí bị nén lại gần phía xupáp nạp do lực quán tính Điều này làm tạo ra một sóng áp suất của khí nạp dội ngựợc về bề mặt cánh bướm ga và đồng thời sau đó ngược lại sóng áp suất này cũng dội ngược lại về phía xupáp nạp đến khi nó điền đầy vào buồng tích áp Việc thay đổi chiều dài đường ống nạp là để làm cho áp suất của dòng khí nạp quay về phía xupáp nạp đúng vào kỳ nạp của động cơ

Từ đó cải thiện được lượng khí nạp mới vào trong xilanh và làm tăng mômen xoắn của động cơ

+ Khoảng tác động của đường nạp (cổ nạp):

Khoảng tác động cổ nạp là từ xupáp nạp đến buồng tích áp.Với sự đóng mở của van biến thiên đường nạp để thay đổi khoảng tác động chiều dài đường nạp làm cho dòng sóng áp suất khí nạp luôn ở trạng thái sẵn sàng nạp

* Cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống biến thiên đường nạp:

- Cấu tạo gồm: Van điện từ, van biến thiên đường nạp, cơ cấu điều khiển và buồng chân không

- Nguyên lý làm việc của hệ thống:

Khi tốc độ động cơ nhỏ hơn 4.600 (vòng/phút) - Van biến thiên đường nạp đóng

Áp suất chân không trong cổ nạp được dùng để điều khiển thông qua hoạt động của van điện từ để đóng van biến thiên đường nạp Ở điều kiện này, khoảng tác động của đường nạp là từ xupáp hút đến buồng tích áp (A―C) Lúc này đường ống nạp dài ra, với tác dụng của lực quán tính khí nạp, lượng không khí nạp được tăng lên, mô-men xoắn của động cơ cũng tăng lên ở vòng quay từ thấp đến trung bình

1

2

Hình 2-3 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống khi tốc độ động cơ nhỏ

1 – Buồng tích áp; 2 – Van biến thiên đường nạp đóng

Khi tốc độ động cơ ở 4.600 (vòng/phút) hoặc cao hơn - Van biến thiên đường nạp

mở Ở điều kiện này, chiều dài khoảng tác động đường nạp là từ xupáp nạp đến buồng tích áp (B―C) Lực quán tính khí nạp đã đạt được ở tốc độ động cơ cao nên cổ nạp ngắn lại làm tăng lượng khí nạp vào trong xilanh và mô-men xoắn của động cơ cũng tăng lên theo ở tốc độ cao

2

Hình 2-4 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống khi tốc độ động cơ cao

1 – Buồng tích áp; 2 – Van biến thiên đường nạp mở

* Cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống xoáy lốc khí nạp:

Chức năng của van xoáy lốc khí nạp là làm giảm sự phát xạ ô nhiễm khí xả lúc

động cơ còn nguội Khi động cơ còn nguội, van xoáy lốc khí nạp đóng lại làm hẹp

miệng cửa nạp để tăng tốc độ của dòng khí nạp Làm cho sự hoà trộn hỗn hợp nhiên liệu được tốt hơn Ngoài ra, nó còn tạo được lực xoáy lốc bên trong buồng đốt

khí-để làm tơi hỗn hợp khí nhiên liệu Điều này làm giảm được sự phát xạ ô nhiễm khí xả.Cấu tạo gồm các bộ phận: Van điện từ, van xoáy lốc, cơ cấu điều khiển van xoáy lốc và buồng chân không

3

2 1 4

Hình 2-5 Sơ đồ hệ thống xoáy lốc khí nạp

1 – Buồng chân không; 2 – Van điện từ; 3 – Cơ cấu đóng mở van xoáy lốc khí nạp;

4 – Van xoáy lốc khí nạp

- Nguyên lý làm việc:

Khi tốc độ động cơ khoảng 3.750 (vòng/phút) hoặc cao hơn và nhiệt độ nước làm

mát khoảng 63˚C {145˚F} hoặc cao hơn - Van xoáy lốc khí nạp đóng Áp suất chân

không trong cổ nạp được dùng để điều khiển cơ cấu đóng mở van xoáy lốc thông qua hoạt động của van điện từ Lúc này miệng cửa nạp nhỏ hơn bình thường để làm tăng tốc độ dòng khí nạp và cũng để tạo ra dòng xoáy bên trong buồng đốt.

2

3

1

Hình 2-6 Sơ đồ nguyên lý làm việc hệ thống xoáy lốc khí nạp

1 - Dòng khí bị xoáy; 2 – Van xoáy lốc khí nạp; 3 – Buồng đốt

Cấu tạo và hoạt động của cơ cấu điều khiển van biến thiên đường nạp, van xoáy lốc khí nạp: Cơ cấu bao gồm phần vỏ, cần đẩy, màng ngăn và lò xo

4

3

2 1

b) a)

Hình 2-7 Cơ cấu điều khiển.van a) Van mở; b) Van đóng

1 – Lò xo; 2 – Buồng chân không; 3 – Cần đẩy; 4 – Van biến thiên đường nạp hoặc

van xoáy lốc

Ở chế độ bình thường, dưới tác dụng của lò xo chống cần đẩy và giữ cho van biến thiên đường nạp hoặc van xoáy lốc khí nạp mở Khi có sự tác động của áp suất chân không từ cổ nạp đến buồng chân không làm kéo màng ngăn về phía cổ nạp Do cần đẩy được bắt chặt với màng ngăn vì vậy cần đẩy được kéo theo và làm cho các van được đóng lại

2.2.2 Đặc điểm hệ thống thải trong động cơ Duratec:

Hệ thống thải trong động cơ có nhiệm vụ thải sạch khí cháy ra ngoài qua đó nạp đầy môi chất mới vào trong xilanh động cơ Bên cạnh đó hệ thống xả của động cơ cũng cần đảm bảo cho việc khí xả thoát ra ngoài môi trường ít gây ô nhiễm môi trường Thỏa mãn điều kiện này, kết cấu các chi tiết của cơ cấu phân phối khí cần phải phù hợp Vì vậy khi phân tích hệ thống phối khí cần phân tích hệ thống xả của động cơ

Sản vật cháy chứa đầy thể tích buồng cháy với áp suất pr > pthải (áp suất khí trong đường thải) tạo ra sự chênh áp Độ chênh áp này phụ thuộc vào hệ số cản, tốc độ dòng khí qua xupáp thải và phụ thuộc vào trở lực của bản thân đường thải

Xupáp thải thường đóng sau điểm chết trên nhằm làm tăng thêm giá trị “tiết diện thời gian” mở cửa thải đồng thời để tận dụng độ chênh áp giữa pr và áp suất trong đường thải cùng với quán tính của dòng khí thải tiếp tục thải sạch khí sót ra ngoài làm tăng hiệu quả cho động cơ

Ngoài ra hệ thống phải đảm bảo cho khí thải ra môi trường bên ngoài ít gây ra ô nhiễm môi trường, giảm tiếng ồn

Để đảm bảo các yêu cầu trên, cổ góp thải của hệ thống thải trong động cơ Duratec được chế tạo bằng vật liệu inox Với vật liệu này làm tản nhiệt nhanh trên đường thải hiện đại hơn các động cơ khác cổ góp được chế tạo bằng gang

Trong quá trình cháy trong động cơ, đã sản sinh ra các chất độc hại, gây ảnh hưởng không nhỏ đến ô nhiễm môi trường Khí cháy từ xilanh động cơ đi ra môi trường, ngoài các sản vật cháy hoàn toàn như CO2, H2O, N2 còn chứa các sản vật chưa được cháy hoàn toàn Đầu tiên là ôxit cácbon CO được hình thành khí nhiên liệu cháy trong điều kiện thiếu ôxy Dưới tác động của nhiệt độ cao CO được ôxy hóa thành

CO2 Ôxit Nitơ được tạo thành ở vùng sản phẩm cháy sau màng lửa, lượng này tăng nhanh khi nhiệt độ tăng Khi đi ra hệ thống xả hoặc ngoài khí quyển chúng được ôxy hóa một phần thành NO2 Ngoài các thành phần độc hại trên, trong sản phẩm cháy còn

có những chất độc hại khác như: Muội than, cacburhydro, andehyd…Với những chất này không những gây nên ô nhiễm mà còn dễ gây nên ung thư đối với con người

Hình 2-8 Hệ thống thải động cơ Duratec.

1 – Ống góp thải; 2 - Cảm biến ôxy; 3 - Ống dẫn phía trước; 4 – Bộ chuyển đổi khí

xả; 5 - Ống giảm thanh chính

Đảm bảo điều này hệ thống thải trong động cơ còn lắp hệ thống giảm âm, bộ phận xúc tác khí xả Khí xả khi đi qua lớp xúc tác của katalizator, làm tăng tốc quá trình phản ứng oxy hóa hoặc hoàn nguyên Để cho việc xúc tác xảy ra sử dụng các kim loại khác nhau như platin, đồng, nikel…Để trung hòa NOx ở katalizator có môi trường hoàn nguyên, tức là liên kết hóa học oxy có ở khí xả Các chất này khi đi qua bộ phận xúc tác khí xả sẽ bị khử nhờ ôxi hóa hoặc làm giảm bớt đi nồng độ của chúng trước khi ra môi trường bên ngoài Tuy nhiên khi sử dụng bộ xúc tác khí xả thường bị đóng muội than

Khi lắp bình tiêu âm thì áp suất trên đường thải nhỏ vì vậy hệ số khí sót trong động

cơ nhỏ, nâng cao hiệu suất cho động cơ

2.3 Đặc điểm hệ thống phân phối khí trong động cơ Duratec:

Hệ thống phân phối khí của động cơ Duratec được dùng là xupáp treo Gồm 2 trục cam dẫn động trực tiếp xupáp (cam nạp và cam thải) Trục cam dẫn động xupáp được đặt trên nắp máy Ở đầu mỗi trục cam được lắp các bánh xích dẫn động Các bánh xích trục cam được dẫn động bằng xích Để thuận tiện cho việc căng xích, ở hệ thống phân phối khí của động cơ được lắp bộ tự động căng xích bằng thủy lực

Mỗi xilanh của động cơ được bố trí bốn xupáp trên đỉnh buồng đốt (2 xupáp nạp

và 2 xupáp thải) Các xupáp khác tên được đặt nghiêng và góc giữa chúng là 390 Các đường ống nạp thải của động cơ được bố trí sang 2 bên của động cơ

Để cơ cấu phân phối khí làm việc đạt hiệu suất cao ở mọi dãi tốc độ Ở đầu trục cam nạp còn lắp thêm bộ phận xoay cam nhằm đáp ứng được các pha phân phối của xupáp phù hợp với tốc độ hoạt động cơ

2.3.1 Sơ đồ bố trí xupáp và nguyên lý làm việc của cơ cấu phân phối khí:

Hình 2 - 9 thể hiện phương án bố trí và dẫn động xupáp Cơ cấu phân phối khí của động cơ dùng xupáp treo Với kiểu bố trí này làm cho buồng cháy động cơ gọn, diện tích mặt truyền nhiệt nhỏ nên giảm được tổn thất nhiệt Khả năng chống kích nổ được cải thiện nhiều Cơ cấu phân phối khí dùng xupáp treo làm cho đường thải và đường nạp thanh thoát hơn làm cho sức cản khí động giảm nhỏ Mỗi xilanh của động cơ được bố trí bởi 4 xupáp (2 hút, 2 xả) làm tăng diện tích tiết diện lưu thông và giảm được đường kính nấm xupáp, khiến cho các xupáp không bị quá nóng và tăng được sức bền Các xupáp được bố trí thành 2 dãy (một dãy xupáp nạp và một dãy xupáp thải) Các đường ống nạp và ống thải bố trí về hai phía Theo cách bố trí này trong động cơ xupáp được đặt nghiêng đi một góc 19,50 so với đường tâm xilanh do đó dễ dàng bố trí đường thải và đường nạp trong nắp xilanh Tuy nhiên phương án này lại làm cho việc dẫn động xupáp trở nên phức tạp nhiều Để khắc phục nhược điểm này ở động cơ Duratec dùng hai trục cam (cam nạp và cam thải) để dẫn động trực tiếp xupáp

* Nguyên lý làm việc: Nguyên lý làm việc của cơ cấu phân phối khí được chia làm hai quá trình cơ bản sau: Quá trình vấu cam đẩy mở xupáp và quá trình lò xo giãn đóng kín xupáp

Quá trình vấu cam đẩy mở xupáp: Khi động cơ làm việc trục khuỷu quay làm cho

bánh xích dẫn động cơ cấu phân phối khí lắp ở đầu trục khuỷu quay theo, thông qua

bộ truyền động xích trung gian (6) dẫn động các bánh xích (10)lắp ở đầu các trục cam

do đó làm cho các trục cam đóng mở xupáp quay Khi các vấu cam tiếp xúc với con đội (13) Con đội bắt đầu chuyển động đi xuống tác động vào đuôi xupáp (4) ép lò xo xupáp (15) nén lại đồng thời xupáp chuyển động đi xuống làm mở các cửa nạp (nếu trong giai đoạn nạp khí vào xilanh động cơ) và cửa thải (trong quá trình thải) thực hiện quá trình nạp môi chất mới và thải khí cháy ra ngoài

Quá trình lò xo giãn đóng kín xupáp: Khi trục cam tiếp tục quay, vấu cam di

chuyển theo cho đến khi đỉnh của vấu cam vượt qua đường tâm con đội Lúc này con đội (13) bắt đầu di chuyển đi lên, lò xo xupáp (15) từ từ giãn ra nhờ vào đế chặn lò xo (14) cùng với các móng hãm (16) đẩy xupáp tịnh tiến về vị trí ban đầu thực hiện quá trình đóng kín xupáp Chu trình đóng mở được lặp đi lặp lại như vậy tuân theo chu kì làm việc của pha phân phối khí

8 7

17 16 15 14 13 12 11

9 10

21 22

23 18

20 19

Hình 2-9 Sơ đồ bố trí xupáp

1 – Xéc măng; 2 – Piston; 3 – Đế xupáp; 4 – Xupáp; 5 – Ống dẫn hướng; 6 – Xích dẫn động; 7 – Vỏ bộ xoay cam; 8 – Cánh xoay; 9 – Bulông cố định bánh răng cam; 10 – Đĩa xích dẫn động trục cam; 11 – Đường dẫn dầu bôi trơn; 12 – Trục cam; 13 – Con đội; 14 – Đĩa chặn lò xo; 15 – Lò xo xupáp; 16 – Móng hãm; 17 – Vòng chắn dầu; 18 – Nắp cổ trục cam; 19 - Vấu cam nạp; 20 – Đường ống hút; 21 – Đường ống xả; 22 –

Đế chặn lò xo; 23 – Vấu cam thải;

2.3.2 Phương án dẫn động trục cam:

Trong động cơ Duratec trục cam được bố trí phía trên nắp xi lanh vì vậy trục cam được dẫn động bằng xích Xích được làm bằng thép hợp kim có sức bền rất cao và khi hoạt động không gây nên tiếng ồn Loại dẫn động này có nhiều ưu điểm như: Kết cấu gọn nhẹ, có thể dẫn động được trục cam ở khoảng cách lớn Tuy nhiên dùng phương

án dẫn động này giá thành cao Hơn nữa khi phụ tải và tốc độ thay đổi đột ngột xích

dễ bị rung động Sau một thời gian sử dụng xích thường bị rơ gây nên tiếng ồn và làm sai lệch pha phân phối khí Để giữ cho xích luôn được căng phải dùng thêm cơ cấu căng xích Để chống rung còn dùng thêm bộ dẫn hướng cho xích

Bánh răng dẫn động xích được lắp ở đầu trục khuỷu Phía đầu trục khuỷu có biên

độ dao động xoắn lớn vì vậy khi lắp theo kiểu này làm cho hệ thống phân phối khí chịu dao dộng xoắn làm sai lệch pha phân phối và chịu tải trọng phụ do dao động đó gây nên Ngoài ra khi trục cam bị ảnh hưởng của dao động xoắn thì góc phun sớm hoặc góc đánh lửa sớm cũng bị ảnh hưởng Tuy vậy khi lắp bánh răng ở đuôi trục khuỷu sẽ làm cho kết cấu dẫn động trở nên phức tạp

3 4

piston trở lại vị trí ban đầu ta nới lỏng chốt hãm cho piston trượt trên các rãnh của chốt hãm nhờ vào lực lị xo.

2.3.3 Kết cấu xupáp:

Xupáp là chi tiết trực tiếp cho dịng khí nạp vào buồng đốt và thải khí cháy ra ngồi với một thời gian ngắn trong một chu kì làm việc của pittơng Trong quá trình làm việc xupáp chịu tải trọng cơ học và tải trọng nhiệt

Về tải trọng cơ học: Nấm xupáp chịu áp suất khí thể từ 0,6 ÷ 1,5 MN/m2 và chịu tác động của lực quán tính nên khi làm việc luơn bị va đập mạnh với đế xupáp nên rất

dễ gây biến dạng

Về tải trọng nhiệt: Xupáp thải làm việc trực tiếp với khí thải cĩ nhiệt độ khoảng

1000 ÷ 1200 0C và với tốc độ dịng khí vào cỡ 400 ÷ 600 (m/s), xupáp thải thường quá nĩng và bị xâm thực Xupáp nạp nhờ dịng khí nạp làm mát nên chịu nhiệt nhỏ hơn xupáp xả

Do xupáp làm việc trực tiếp với khí cháy nên vật liệu chế tạo xupáp là các thép hợp kim chịu nhiệt tốt Với lớp hợp kim này làm cho xupáp ít mịn và chống được gỉ của mặt nấm xupáp thải

Kết cấu của xupáp gồm 3 phần chính: Phần nấm xupáp, thân xupáp và phần đuơi

XUPẠP HỤT XUPẠP XAÍ

Hình 2-11 Kết cấu xupáp nạp và thải