Thiết kế cơ cấu phân phối khí động cơ Z6 trên xe Ford Focus

Thiết kế cơ cấu phân phối khí động cơ Z6 trên xe Ford Focus

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 2

1 Mục đích và ý nghĩa của đề tài: 3

2 Tổng quan về sự phát triển của cơ cấu phân phối khí 4 kỳ từ cổ điển đến hiện đại: 4 2.1 Nhiệm vụ, yêu cầu: 4

2.2 Cơ cấu phân phối khí cổ điển: 4

2.3 Cơ cấu phân phối khí hiện đại: 7

3 Thiết kế cơ cấu phân phối khí trên động cơ Z6: 14

3.1 Các chi tiết của hệ thống cơ cấu phân phối khí động cơ Z6: 16

3.2 Hệ thống thay đổi góc phân phối khí: 27

3.3 Đặc điểm,kết cấu của hệ thống thay đổi góc phân phối khí: 30

4 Tính toán các thông số cơ bản của cơ cấu phân phối khí: 43

4.1 Xác định kích thước của tiết diện lưu thông: 43

4.2 Phân tích chọn dạng cam: 46

4.3 Dựng hình cam lồi: 47

4.4 Động học con đội đáy bằng: 51

5 Tính kiểm nghiệm các chi tiết trong cơ cấu phân phối khí động cơ Z6: 54

5 1 Quy dẫn khối lượng các chi tiết máy trong cơ cấu phối khí: 54

5.2 Tính toán lò xo xupáp: 56

5 3 Tính toán kiểm nghiệm trục cam: 59

5 4 Tính toán sức bền con đội: 63

5 5 Tính toán sức bền xupáp: 63

6 Những hư hỏng và phương pháp kiểm tra, sửa chữa các chi tiết trong cơ cấu phân phối khí: 64

6.1 Những hư hỏng: 64

6.2 Các phương pháp kiểm tra, phân loại chi tiết: 64

6.3 Phương pháp kiểm tra sửa chữa các chi tiết của cơ cấu phân phối khí động cơ Z6: 66

7 Kết luận: 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

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 em chọn là thiết kế cơ cấu phân phối khí trên động cơ Z6 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 ôn lại các kiến thức đã học ở trường mà còn có thể hiểu biết kiến thức nhiều hơn khi tiếp xúc với thực tế Cơ cấu phân phối khí của động cơ Z6 có nhiều đặc điểm mới lạ Do đó việc thiết kế 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 Trần Văn Nam, 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 "Trần Văn Nam” 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 Mục đích và ý nghĩa của đề tài:

Ngày nay, phần lớn các thương hiệu xe hơi nổi tiếng đã có mặt tại thị trườngViệt Nam, trong đó Ford là hãng xe hơi đi tiên phong với hơn 15 năm kinh nghiệm,đứng thứ 2 với 14% thị phần với các dòng xe tiêu biểu như Everest, Escape,Mondeo, Transit, Ranger, Laser, Focus Trong đó Focus là nổi bật nhất, là chiếcsedan thành công nhất trong lịch sử của Ford, đã đạt doanh thu kỷ lục với 1030 xetại thị trường Việt Nam trong năm 2009 Sự thành công của Focus là nhờ đượctrang bị các hệ thống hiện đại như hệ thống chống bó cứng phanh (ABS), hệ thốngphân phối lực phanh điện tử (EBD), nội thất rộng rãi sang trọng và tinh tế Đặc biệt

là hệ thống điều khiển van biến thiên VCT của Ford cho phép tối ưu hóa thời gian,thời điểm, góc đóng mở của xupáp làm tăng công suất động cơ, tiết kiệm nhiên liệu,thân thiện với môi trường là xu thế mới là tiêu chí hàng đầu trong lĩnh vực nhiêncứu chế tạo động cơ ô tô ngày nay Đó là lý do em chọn đề tài “Thiết kế cơ cấuphân phối khí động cơ Z6 trên xe Ford Focus” được lắp trên xe Focus của Ford.Trong đề tài này em tập trung vào vấn đề kết cấu và nguyên lý hoạt động củacác chi tiết trong hệ thống phân phối khí động cơ Z6, tính toán các thông số kíchthước cơ bản, ngoài ra em còn phân tích các nguyên nhân hư hỏng và biện phápkhắc phục các hư hỏng

Thông qua việc làm đề tài này đã góp phần cho em củng cố lại các kiến thức đãđược học và tập cho em cách nghiên cứu làm việc độc lập tạo điều kiện thuận lợicho công việc sau này của người kỹ sư tương lai

2 Tổng quan về sự phát triển của cơ cấu phân phối khí 4 kỳ từ cổ điển đến hiện đại:

2.1 Nhiệm vụ, yêu cầu:

* Nhiệm vụ: Cơ cấu phân phối khí có nhiệm vụ điều khiển quá trình thay đổi khí, thải sạch khí thải khỏi xilanh và nạp đầy hỗn hợp hoặc không khí mới vào xilanh đểđộng cơ làm việc được liên tục Trong quá trình làm việc không khí sạch và nhiên liệu được cấp vào xilanh động cơ ứng với các thời điểm xác định Việc nạp không khí và làm sạch xilanh động cơ 4 kỳ thực hiện thông qua xupáp nạp và xả

* Yêu cầu:

- Đóng mở xupáp đúng thời gian qui định

- Độ mở lớn để dòng khí dễ lưu thông

- Đóng kín và không được hở ( tì chặt lên đế xupáp) Tránh gây lọt khí sẽ làm giảm

áp suất trong hành trình nén làm giảm công suất của động cơ

- Ít mòn và ít ồn ào (do va đập)

- Dễ điều chỉnh, sửa chữa, giá thành hạ

- Đóng mở các cửa nạp và cửa thải theo đúng qui luật pha phối khí động cơ

2.2 Cơ cấu phân phối khí cổ điển:

2.2.1 Cơ cấu phân phối khí xupáp đặt:

* Nguyên lý làm việc :

Khi động cơ làm việc thông qua dẫn

động từ bánh răng trục khuỷu 10

làm cho trục cam 8 quay, khi trục cam

quay vấu cam sẽ tác động lên con đội

7 làm cho con đội chuyển động đi

lên và tác dụng vào đuôi xupáp 1

làm cho xupáp chuyển động đi lên lúc

này lò xo 3 bị nén lại Khi xupáp

chuyển động đi lên sẽ mở thông cửa

nạp với bên trong xilanh (nếu ở xupáp

hút) ở bên trong xilanh với cửa xả

(nếu ở xupáp xả) Khi vấu cam 8 không

tác động vào con đội nữa lúc này lò xo

3 dãn ra và làm cho xupáp đóng lại, kết

thúc quá trình hút hoặc quá trình thải của động cơ

Hình 2-1 Kết cấu cơ cấu phân phối khí xupáp đặt; 1-Xuppáp; 2-Ống dẫn hướng; 3-Lò xo; 4-Đĩa lò xo; 5-Ốc điều chỉnh; 6-Đai ốc điều chỉnh; 7-Con đội; 8-Cam; 9-Bánh răng trục cam; 10- bánh răng trục cơ

+ Ưu điểm: Chiều cao động cơ giảm, kết cấu nắp xilanh đơn giản, dẫn động xupáp

dễ dàng thuận tiện Số chi tiết của cơ cấu ít nên lực quán tính của cơ cấu nhỏ, bề mặt cam và con đội ít bi mòn

+ Nhược điểm:

Buồng cháy không gọn (Vc tăng) làm cho tỉ số nén giảm dẫn đến động cơ có tỉ số nén thấp

Diện tích làm mát lớn dẫn tới tổn thất nhiệt nhiều, dẫn đến t giảm

Tăng tổn thất khí động Do có nhiều hạn chế nên người ta chỉ sử dung phương ánnày cho các loại động cơ xăng có tỉ số nén thấp (<7,5) và số vòng quay không cao lắm

2.2.2 Cơ cấu phân phối khí xupáp treo:

* Nguyên lý làm việc :

Khi động cơ làm việc nhờ sự dẫn động

từ trục cơ làm cho trục cam quay Khi

bề mặt làm việc của vấu cam 11 tác

động vào con đội 10 làm cho con đội

chuyển động đi lên, dẫn đến đũa đẩy 9

cũng chuyển động đi lên, khi đũa đẩy 9

chuyển động đi lên thì sẽ tác động vào

đuôi đòn bẩy 6 làm cho đuôi đòn bẩy 6

chuyển động đi lên và xoay xung

quanh trục của nó dẫn đến đầu đòn bẩy

6 chuyển động đi xuống tác động vào đuôi xupáp 5 làm cho xupáp chuyển động đi xuống lúc này lò xo 2 bị nén

Hình 2-2 Kết cấu Cơ cấu phân phối khí xupáp treo; 1-Ống dẫn hướng; 2-

Lò xo xupáp; 3-Đĩa lò xo; 4-Móng hãm; 5-Xupáp; 6-Đòn bẩy; 7-Vít chỉnh xupáp; 8-Đế xupáp; 9-Đũa đẩy; 10-Con đội; 11- Cam

lại Khi xupáp chuyển động đi xuống sẽ mở thông cửa nạp với bên trong xi lanh (nếu ở xupáp hút) ở bên trong xi lanh với cửa xả (nếu ở xupáp xả) Khi vấu cam 11 không tác động vào con đội nữa lúc này lò xo 2 dãn ra và làm cho xupáp 5 đóng lại,kết thúc quá trình hút hoặc quá trình thải của động cơ Quá trình này diễn ra liên tụctrong suốt quá trình làm việc của động cơ

- Ưu điểm:

+ Buồng cháy nhỏ gọn, diện tích truyền nhiệt nhỏ, giảm được tổn thất nhiệt

+ Dễ tăng tỷ số nén, đường nạp đường thải thông thoáng, tăng hệ số nạp, giảm hệ sốkhí sót đảm bảo góc phối khí chính xác hơn Đối với động cơ xăng có thể tăng tỉ sốnén mà không kích nổ

- Nhược điểm:

+ Dẫn động xupáp phức tạp

+ Tăng chiều cao động cơ

+ Kết cấu nắp xilanh phức tạp, khó chế tao

+ Độ tin cậy thấp hơn phương án bố trí xupáp đặt

2.2.3 Cơ cấu phân phối khí xupáp treo dẫn động xupáp trực tiếp nhờ trục cam:

* Nguyên lý làm việc: Khi động cơ làm

việc thông qua cơ cấu truyền động đến

trục cam 6 làm cho trục cam 6 quay Khi

bề mặt làm việc của cam 6 tác động vào

con đội 5 làm cho nó chuyển động đi

xuống, tác động vào đuôi xupáp 1 làm

cho xupáp 1 chuyển động đi xuống dẫn

đến mở thông cửa nạp với bên trong xi

lanh nếu như ở xupáp nạp và bên trong xi

lanh với bên ngoài cửa xả nếu như

ở xupáp xả, lúc này lò xo 3 bị nén lại Khi bề mặt làm việc của cam 6 không tác Hình 2-3 Kết cấu xupáp

treo dẫn động trực tiếp; 1-Xupáp; 2-Ống dẫn hướng; 3-lò xo xupáp; 4-Đĩa lò xo; 5-Con đội; 6-Cam; 7- Móng hãm; 8-Đế xupáp

động vào con đội 5 lúc này nhờ lực đẩy lò xo 3 làm cho xupáp 1 chuyển động đi lên

và đóng kín không cho thông giữa bên trong xilanh với bên ngoài cửa nạp hoặc cửa xả

2.2.4 Nhược điểm của cơ cấu phân phối khí cổ điển:

Do tính chất của hòa khí và sau khi cháy mà 3 thông số thời điểm, độ nâng vàthời gian mở của các xupáp ở tốc độ thấp và tốc độ cao rất khác nhau Đối với động

cơ cổ điển thì công suất và mô-men xoắn cực đại ở tốc độ nào của xe thì phụ thuộcvào điều kiện sử dụng của xe đó Nếu đặt điều kiện hoạt động tối ưu của các xupáp

ở tốc độ thấp thì quá trình đốt nhiên liệu lại không hiệu quả khi động cơ ở trạng tháitốc độ cao, khiến công suất chung của động cơ bị giới hạn Ngược lại, nếu đặt điềukiện tối ưu ở số tốc độ cao thì động cơ lại hoạt động không tốt ở tốc độ thấp Từnhững hạn chế đó, thì cơ cấu phối khí hiện đại ra đời với ý tưởng là tìm cách tácđộng để thời điểm mở van, độ mở và khoảng thời gian mở biến thiên theo từngvòng tua khác nhau sao cho chúng mở đúng lúc, khoảng mở và thời gian mở đủ đểlấy đầy hòa khí vào buồng đốt

2.3 Cơ cấu phân phối khí hiện đại:

2.3.1 Cơ cấu phân phối khí VTEC của Honda:

Hệ thống VTEC của Honda là một trong những công nghệ tiên tiến nhằm tối ưuhóa hiệu quả của động cơ Được kỹ sư thiết kế động cơ của Honda, KenichisNagahiro sáng tạo

2.3.1.1.Cấu tạo hệ thống:

Hình 2-4 Cấu tạo của hệ thống VTEC.

1- Trục cam ; 2- Tấm định vị ; 3 - Cò mổ thứ cấp ; 4 - Cò mổ thứ hai ;

5 - Piston đồng bộ ; 6 - Piston tác động ; 7 – Xupáp hút.

Động cơ bố trí 4 xupáp cho mỗi xylanh, bao gồm 2 xupáp nạp và 2 xupáp xả.Hai vấu cam nạp có biên độ mở khác nhau, một cam có biên độ mở lớn và một cam

có biên độ mở nhỏ Các piston lắp đặt bên trong cò mổ sẽ đẩy piston đồng bộ dichuyển cùng hướng để ép piston chặn và lò xo hoàn lực lại tạo sự liên kết hai cò mổlại với nhau Khi mất áp lực dầu, dưới sự hoàn lực của lò xo thông qua piston chặn

sẽ được piston đồng bộ trở về làm tách 2 cò mổ mở riêng rẽ Ở tốc độ thấp, hai cò

mổ được tách rời, vì thế xupáp hút thứ nhất điều khiển sự phân phối chính trong khi

đó xupáp hút thứ hai chỉ hé mở để ngăn chặn nhiên liệu tích luỹ ở cửa nạp Ở tốc độcao, hai cò mổ được liên kết thành một khối nhờ vào piston đồng bộ Vì vậy tốc độnày cả hai xupáp đều chịu sư tác động của vấu cam có biên độ mở lớn nhất

2.3.1.2.Quá trình hoạt động:

Kỹ thuật thay đổi thời gian phân phối khí và mức độ nâng xupáp được sử dụngcho động cơ nhằm mục đích tiêu thụ nhiên liệu thấp nhất nhưng công suất phát ravẫn cao Với hệ thống này, đặc điểm nổi bật là với một tỷ lệ hoà khí tiết kiệmnhưng vẫn tạo ra một momen lớn ở tốc độ thấp, đồng thời ở tốc độ cao công suấtphát ra lớn tương đương như động cơ bốn xupáp tiêu chuẩn đạt được

Hình 2-5 Cấu tạo của cơ cấu phân phối khí ở tốc độ thấp.

1-Piston tác động , 2- Piston đồng bộ , 3- Piston chặn , 4- Cò mổ thứ nhất , 5- Cò mổ thứ hai , 6- Cam thứ nhất , 7- Cam thứ hai.

* Ở tốc độ cao:

Piston tác động được bố trí bên trong cò mổ thứ nhất, nó được tác động bởi áplực dầu để di chuyển theo hướng mũi tên như hình (4) Cả hai cò mổ thứ 1 và thứ 2được liên kết lại bằng piston đồng bộ Ở tốc độ này, biên độ mở của xupáp thứ haigiống như biên độ mở của xupáp thứ nhất nhằm đáp ứng cho sự hoạt động ở tốc độcao giống như động cơ 4 xupáp thông thường (2 xupáp điều khiển phân phối khí)

Tốc độ xe : 5 Km/h.

Tải động cơ : Dựa vào áp suất thấp ở đường ống nạp

Hình 2-7 Sơ đồ Hệ thống điều khiển cơ cấu phân phối khí bằng điện tử 2.3.1.4 Ưu điểm của hệ thống:

Tính ưu việt ở loại động cơ này là công suất động cơ cao đồng thời với việc tiếtkiệm nhiên liệu Cơ cấu phân phối khí của động cơ này gần giống như kiểu phânphối khí của động cơ bốn xupáp thông thường, nhưng nó được cải tiến sư phân phốitốt hơn Ở tốc độ thấp, lượng hoà khí nạp vào trong xilanh được tiết kiệm do chỉ mởmột trong hai xupáp nhưng ở tốc độ trung bình và cao, công suất phát ra lớn do mởđồng thời cả hai xupáp hút

2.3.2 Cơ cấu phân phối khí MIVEC của Mitsubishi:

MIVEC (Mitsubishi Innovative Valve timing Electronic Control system) là tên viết tắt của công nghệ động cơ với xupáp nạp biến thiên được phát triển bởi hãng Mitsubishi

2.3.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:

Hệ thống này có khả năng thay đổi hành trình hoặc thời gian đóng mở các xupápbằng cách sử dụng hai loại vấu cam khác nhau Ở dải tốc độ thấp, vấu cam nhỏ dẫnđộng các xupáp, động cơ hoạt động ở trạng thái không tải ổn định, lượng khí thảigiảm và mômen xoắn tăng lên ở tốc độ thấp Khi vấu cam lớn được kích hoạt, tốc

độ tăng lên, các xupáp được mở rộng hơn và thời gian mở xupáp tăng lên Bởi vậylàm tăng lượng khí nạp trong buồng cháy, công suất và mômen xoắn tăng, dải tốc

độ động cơ được mở rộng MIVEC được Mitsubishi giới thiệu lần đầu tiên vào năm

1992 trên động cơ 4G92, dung tích 1597 cc, 4 xilanh thẳng hàng, mỗi xilanh gồmhai xupáp nạp và hai xupáp xả Thế hệ công nghệ này ra đời với tên gọi “Mitsubishi

Innovative Valve timing and lift Electronic Control” Chiếc xe đầu tiên sử dụng

công nghệ này là chiếc hatchback Mitsubishi Mirage và chiếc sedan MitsubishiLancer

* Nguyên lý hoạt động:

Nhằm tối ưu hiệu suất động cơ ở dãi tốc độ thấp và trung bình, mặt khác lạinâng cao công suất ở vòng tua cao, hệ thống MIVEC đạt được cả hai mục tiêu trênnhờ chủ động điều khiển cả thời điểm và khoảng thời gian đóng mở xupáp Hệthống MIVEC điều khiển hoán đổi các vấu cam có cùng chức năng Một số các loại

xe đua thể thao đã áp dụng biện pháp công nghệ này nhằm mục đích sinh ra nhiềucông suất hơn Việc chuyển đổi vấu cam được thực hiện một cách tự động nhờ cácECU của hệ thống MIVEC, dựa trên các tín hiệu đầu vào như tốc độ động cơ, sốvòng quay trục khuỷu, nhiệt độ nước làm mát, độ mở bướm ga,…ECU sẽ đưa ra tínhiệu điều khiển để kích hoạt hoặc hủy chế độ MIVEC

Hình 2-8 Hoạt động của hệ thống Mivec

Hai cam có hai biên dạng khác nhau được sử dụng ở hai chế độ khác nhau củađộng cơ: một cam có biên dạng nhỏ, dùng ở dải tốc độ thấp mà ta gọi tắt là cam tốc

độ thấp và vấu cam còn lại có biên dạng lớn hơn, dùng ở dải tốc độ cao gọi tắt làcam tốc độ cao Các vấu cam tốc độ thấp và các trục cò mổ, dẫn động các xupápnạp, đặt đối xứng nhau qua cam tốc độ cao ở giữa Mỗi xupáp nạp được dẫn độngbởi một cam tốc độ thấp và trục cò mổ Để chuyển sang cam tốc độ cao, một tay

đòn chữ T được ép vào các khe ở đỉnh trục cò mổ của cam tốc độ thấp Điều này cho phép các cam tốc độ cao dịch chuyển cùng với cam tốc độ thấp Lúc này cácxupáp thay đổi hành trình khi được dẫn động bởi cam tốc độ cao Ở dải tốc độ thấp,tay đòn chữ T trượt ra khỏi khe một cách tự do, cho phép các cam tốc độ thấp dẫnđộng các xupáp Ở dải tốc độ cao, áp suất thủy lực đẩy piston thủy lực lên, bởi vậytay đòn chữ T lại trượt vào các khe cò mổ để chuyển sang vận hành với các cam tốc

độ cao

Nói chung, chế độ MIVEC được kích hoạt để chuyển sang vấu cam tốc độ caokhi tốc độ động cơ tăng và chuyển sang vấu cam tốc độ thấp khi tốc độ động cơgiảm Ở dải tốc độ thấp, thời gian đóng mở các xu páp nạp và xả trùng nhau tăng đểtăng sự ổn định ở chế độ không tải Khi tăng tốc, thời điểm xupáp nạp đóng đượclàm chậm lại để giảm áp lực ngược đồng thời cải thiện hiệu suất khí nạp, giúp tăngcông suất động cơ cũng như giảm hệ số ma sát

Hình 2-9 Cấu tạo của hệ thống Mivec

2.3.2.2 Ưu điểm của hệ thống:

Hệ thống MIVEC điều khiển bốn chế độ vận hành tối ưu của động cơ như sau:

* Trong hầu hết các điều kiện làm việc, để đảm bảo hiệu suất nhiên liệu cao nhất,thời gian đóng xupáp trùng nhau tăng lên để giảm tổn thất bơm Thời điểm xupáp

xả mở được làm chậm lại để tăng tỷ số nén, tăng tính kinh tế của nhiên liệu

* Khi cần công suất cực đại (tốc độ và tải trọng cao), thời điểm đóng xupáp nạpđược làm chậm lại để đồng nhất hóa không khí nạp với thể tích nạp là lớn nhất

* Ở dải tốc độ thấp và tải nặng, MIVEC đảm bảo tối ưu mômen xoắn do thời điểmxupáp nạp đóng được làm trễ hơn để đảm bảo đủ lượng khí nạp Cùng lúc đó, thờiđiểm xupáp xả mở được làm chậm lại để tăng tỷ số nén và cải thiện hiệu suất độngcơ

* Ở chế độ không tải, thời điểm xupáp xả và nạp trùng nhau được loại bỏ để ổn địnhquá trình cháy

2.3.3 Cơ cấu phân phối khí VCT của hãng Ford:

Hãng Ford đã đi đầu trong lĩnh vực cải tiến hệ thông phân phối khí và đã cho rađời nhiều thế hệ ôtô với tính năng hiện đại Trong đó có hệ thống điều khiển xoaytrục cam nạp hay gọi là hệ thống điều khiển VCT Với hệ thống này nhằm thay đổigóc phân phối khí của các xupáp phù hợp với từng dãi tốc độ làm việc của động cơđược ra đời trong nhưng năm gần đây và sử dụng rộng rãi ở Việt Nam trên các loại

xe như: Focus, Mondeo, Escape, Transit…

Hình 2-10 Hệ thống cơ cấu phân phối khí VCT

VCT là hệ thống điều khiển thời điểm phối khí phù hợp với chế độ làm việc củađộng cơ VCT là cụm từ viết tắt từ tiếng Anh: Variable Cam Timing

Đối với các động cơ cổ điển thì thời điểm phối khí là cố định và thường đựơctính theo điều kiện sử dụng của động cơ Vì nó được dẫn động trực tiếp từ trụckhuỷu đến cam thông qua cặp bánh răng hoặc xích Ngược lại, với các động cơ có

hệ thống VCT thì góc phân phối có thể thay đổi theo điều kiện làm việc của động

cơ Hệ thống VCT sử dụng áp suất thuỷ lực điều khiển bằng van điện từ để xoaytrục cam nạp, thay đổi thời điểm phối khí để đạt được thời điểm phối khí tối ưu Hệthống này có thể xoay trục cam một góc 400 tính theo góc quay trục khuỷu để đạtthời 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

2.3.4 Ưu điểm của cơ cấu phân phối khí hiện đại so với cổ điển:

Việc sử dụng các bộ phận thay đổi thời điểm và quy luật nâng của xupáp, làmcho cơ cấu phối khí hiện đại luôn hoạt động ở điều kiện tối ưu Điều đó đã làm chođộng cơ sử dụng cơ cấu phối khí hiện đại có suất tiêu hao nhiên liệu thấp, việc giatốc thay đổi từ tốc độ thấp sang tốc độ cao xảy ra nhanh chóng, ít gây ô nhiễm vàđạt công suất cao Xe có sử dụng cơ cấu phân phối khí hiện đại sẽ chạy êm dịutrong thành phố cũng như trên quốc lộ, dễ dàng chuyển từ tốc độ thấp sang tốc độcao

2.3.5 Ưu điểm của VCT so với VTEC và MIVEC:

Đối với động cơ sử dụng VTEC và MIVEC thì mặc dù cho công suất tối đa lớnnhưng không cải thiện được mô men xoắn cực đại và có cơ chế hoạt động phức tạp,chỉ hoạt động được 2 hoặc 3 pha và không liên tục Trong khi đó VCT công nghệcủa Ford giúp tối ưu hoạt động của xupáp nạp và xả trên toàn bộ dãi tốc độ củađộng cơ, biến thiên góc quay trục cam cho phép xupáp đóng mở tại các thời điểmkhác nhau trong mỗi chu trình cháy (4 kỳ) để phân bố công suất của động cơ phùhợp theo tốc độ và tải (chân ga) một cách nhanh chóng

3 Thiết kế cơ cấu phân phối khí trên động cơ Z6:

Động cơ Z6 do hãng Ford sản xuất, được lắp trên xe Focus 1,6L Z6 là động cơxăng với 4 xilanh được đặt thẳng hàng, 16 xupáp Các xupáp đựợc dẫn động trựctiếp từ cam Cam được đặt trên nắp máy, gồm 2 trục cam dẫn động xupáp (DOHC).Z6 tích hợp hệ thống điều khiển van biến thiên VCT (Variable Cam Timing) chophép tối ưu hóa thời gian, thời điểm, góc đóng mở của xupáp làm tăng công suấtđộng cơ, tiết kiệm được nhiên liệu 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

2 1

11 12 13 14 15 16 17

28 27 26

10 9

25

23 24

19 20 21 22

18 8

6 7

4 5

3

Hình 3-1 Mặt cắt động cơ Z6

1 – Các te; 2 – Lọc dầu bôi trơn; 3 - Ống dẫn dầu bôi trơn; 4 – Trục khuỷu; 5 –Bánh xích đầu trục khuỷu; 6 – Buly trục khuỷu; 7 – Xích dẫn động; 8 – Bánh xíchdẫn động trục cam; 9 – Trục cam; 10 – Đường dẫn dầu bôi trơn; 11 – Xupáp; 12 –Con đội; 13 – Đĩa chặn lò xo; 14 – Lò xo xupáp; 15 - Ống dẫn hướng; 16 – Xilanh;

17 – Đế xupáp; 18 – Xéc măng; 19 – Chốt piston; 20 – Thanh truyền; 21 – Phớtchắn dầu; 22 – Đuôi trục khuỷu; 23 – Đai ốc; 24 – Bạc lót; 25 – Chốt khuỷu; 26 –

Cổ trục khuỷu

3.1 Các chi tiết của hệ thống cơ cấu phân phối khí động cơ Z6:

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

Cơ cấu phân phối khí của động cơ dùng xupáp treo vì cơ cấu phân phối khí này

có nhiều ưu điểm hơn so với cơ cấu phân phối khí xupáp đặt Ưu điểm của kiểu bốtrí này là làm cho buồng cháy động cơ nhỏ gọn, diện tích mặt truyền nhiệt nhỏ vì

vậy giảm được tổn thất nhiệt Khả năng chống kích nổ được cải thiện nhiều nên cóthể tăng tỷ số nén lên 0,5  2 so với khi dùng cơ cấu phân phối khí xupáp đặt Cơcấu phân phối khí dùng xupáp treo làm cho đường thải và đường nạp thanh thoáthơn làm cho sức cản khí động giảm nhỏ Mỗi xilanh của động cơ được bố trí bởi 4xupáp (2 hút, 2 xả) làm tăng diện tích tiết diện lưu thông, hệ số nạp tăng lên 5 

7% 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 vàmột dãy xupáp xả) Các đường ống nạp và ống thải bố trí về một phía để ống thải cóthể sấy nóng ống nạp khiến nhiên liệu dễ bay hơi

* Nguyên lý làm việc: Nguyên lý làm việc của cơ cấu phân phối khí được chia làmhai quá trình cơ bản sau: Quá trình vấu cam đẩy mở xupáp và quá trình lò xo giãnđóng 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, thôngqua bộ truyền động xích trung gian (6) dẫn động các bánh xích (10) lắp ở đầu cáctrục cam do đó làm cho các trục cam đóng mở xupáp quay Khi các vấu cam tiếpxúc với con đội (13) Con đội bắt đầu chuyển động đi xuống tác động vào đuôixupáp (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 (trongquá 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 nàycon đội (13) bắt đầu di chuyển đi lên, lò xo xupáp (15) từ từ giãn ra nhờ vào đếchặn lò xo (14) cùng với các móng hãm (16) đẩy xupáp tịnh tiến về vị trí ban đầuthực hiện quá trình đóng kín xupáp Chu trình đóng mở được lặp đi lặp lại như vậytuân theo chu kì làm việc của pha phân phối khí

8 7

17 16 15 14 13 12 11

21 22

23 18

20 19

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

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

3.1.3 Kết cấu xupáp:

Xupáp là chi tiết trực tiếp cho dịng khí nạp vào buồng đốt và thải khí cháy rangồi với một thời gian ngắn trong một chu kì làm việc của pittơng Trong quá trìnhlàm việc xupáp chịu phụ tải động và phụ tải nhiệt rất lớn

Về phụ tải động: Lực khí thể tác dụng lên mặt nấm xupáp từ 10000  20000 N

và chịu tác động của lực quán tính nên khi làm việc luơn bị va đập mạnh với đếxupáp nên rất dễ gây biến dạng

Về phụ tải nhiệt: Xupáp xả làm việc trực tiếp với dịng khí thải cĩ nhiệt độkhoảng 1100  1200 0C và với tốc độ dịng khí vào cỡ 400  600 (m/s), xupáp xảthường quá nĩng và bị xâm thực Xupáp nạp nhờ dịng khí nạp làm mát nên chịunhiệt nhỏ hơn xupáp xả

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

gỉ của mặt nấm xupáp xả Chiều dài của xupáp nạp L = 97,4 (mm), chiều dài của xupáp xả L = 96,3 (mm)

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

XUPẠP NẢP XUPẠP XAÍ

Ø5.5 Ø5.5

Kết cấu của nấm xupáp chẳng những có ảnh hưởng quyết định đến giá thành chếtạo xupáp mà còn ảnh hưởng đến độ bền, trọng lượng và tình trạng của dòng khí lưuđộng qua họng đế xupáp nữa Nấm xupáp của động cơ Z6 được ta chọn là loại nấmbằng Ưu điểm của loại này là đơn giản dễ chế tạo, có thể dùng cho cả xupáp xả vàxupáp nạp.

Mặt làm việc quan trọng của phần nấm là mặt côn có góc độ  = 15  450, tachọn góc độ   450 Điều này vừa đảm bảo được độ bền của nấm, vừa đảm bảotiết diện lưu thông khi mở xupáp và vừa đảm bảo dòng khí lưu động dễ dàng Góc

 này càng nhỏ thì tiết diện lưu thông càng lớn Tuy nhiên nếu  càng nhỏ thìmặt nấm càng mỏng, độ cứng vững của mặt nấm càng kém do đó dễ bị cong vênh,tiếp xúc không kín khít với đế xupáp

Đôi khi góc của mặt côn trên nấm xupáp còn làm nhỏ hơn góc của mặt côn trên

đế xupáp từ (0,5  10) để xupáp có thể tiếp xúc với đế theo vòng tròn ở mép ngoàicủa mặt côn Làm như vậy có thể đảm bảo tiếp xúc được kín khít dù mặt nấm có bịbiến dạng nhỏ

Đường kính của nấm xupáp nạp dnn = 27,8 (mm)

Đường kính của nấm xupáp xả dnt = 24,7(mm)

Chiều rộng của mặt côn trên nấm xupáp nạp và thải b= (0,05  0,12) dn = 1,4(mm)

Chiều dày của nấm xupáp nạp bằng (0,08  0,12) dnn = 0,108.27,8 = 3 (mm).Chiều dày của nấm xupáp xảbằng (0,08  0,12) dnt = 0,12.24,7 = 3 (mm)

* Phần thân xupáp:

Thân xupáp có đường kính thích đáng để dẫn hướng tốt, tản nhiệt tốt và chịuđược lực nghiêng khi xupáp đóng mở Để giảm nhiệt độ cho xupáp người ta có xuhướng tăng đường kính của thân xupáp và kéo dài ống dẫn hướng đến gần nấmxupáp Nhưng do phải đảm bảo tiết diện lưu thông và gọn nhẹ nên thân xupáp cũngkhông thể làm quá lớn

Thân xupáp nạp và thải có dạng hình trụ dài Chỗ chuyển tiếp giữa thân và nấm

có góc lượn

Đường kính thân xupáp nạp: dtn = (0,16  0,25) dn = 0,198.27,8 = 5,5 (mm).Đường kính thân xupáp xả: dtt = (0,16  0,25) dn = 0,223.24,7 = 5,5(mm).Chiều dài của thân xupáp tùy thuộc vào cách bố trí xupáp Nó thường thay đổi

trong phạm vi khá lớn lt = (2,5  3,5) dn Chiều dài của thân xupáp cần lựa chọn đủ

để lắp ống dẫn hướng và lò xo xupáp

Chiều dài thân của xupáp nạp: ltn = 2,5.27,8 = 69,5(mm)

Chiều dài thân của xupáp xả: ltt = 2,75.24,7 = 67,925 (mm)

* Đuôi xupáp:

Phần đuôi xupáp trực tiếp va đập với con đội do đó mặt trên của phần đuôi phảiđược tôi cứng Ở phần đuôi xupáp có đoạn khoét rãnh để lắp móng hãm

Hình 3-5 Kết cấu phần đuôi xupáp

Đế chặn lò xo phía trên được lắp với xupáp bằng 2 móng hãm hình côn lắp vàođoạn có đường kính nhỏ trên đuôi Mặt phía ngoài của móng hãm ăn khớp với mặtcôn của lỗ đĩa lò xo

Móng hãm được chế tạo dạng hình côn

Kiểu lắp dùng móng hãm có ưu điểm lớn là không gây nên ứng suất tập trungtrên đuôi xupáp Tuy vậy việc gia công móng hãm rất khó khăn

3.1.4 Đế xupáp:

Cơ cấu phân phối khí của động cơ đang thiết kế dùng xupáp treo, đường thải vàđường nạp bố trí trong nắp xilanh Để giảm hao mòn cho thân máy và nắp xi lanhkhi chịu lực va đập của xupáp, người ta dùng đế xupáp ép vào họng đường thải vàđường nạp Vì thân máy và nắp xilanh được chế tạo bằng hợp kim nhôm nên đếxupáp được ép cho cả đường nạp và đường thải

Mặt ngoài của đế là hình trụ trên có vát mặt côn để tiếp xúc với mặt côn của nấmxupáp Đế được chế tạo bằng thép hợp kim chịu mài mòn

Đường kính họng đế xupáp nạp dhn = 29,12 (mm)

Đường kính họng đế xupáp xả dht = 24,74 (mm)

Chiều cao của đế xupáp nạp hn = (0,18  0,25) dh = 0,25.29,12 = 7,28 (mm).Chiều cao của đế xupáp xả ht = (0,18  0,25) dh = 0,25.24,74 = 6,185 (mm)

hở giữa ống dẫn hướng và thân xupáp phụ thuộc vào đường kính thân xupáp Khe

hở giữa thân xupáp nạp và ống dẫn hướng (0,005  0,01) dtn = 0,01.5,48 = 0,0548(mm) Khe hở giữa thân xupáp thải và ống dẫn hướng (0,008 0,012) dtt = 0,011.5,48 = 0,06028(mm)

Chiều dày ống dẫn hướng thường vào khoảng (2,5 4) (mm) ta chọn 3 (mm).Chiều dài ống dẫn hướng phụ thuộc vào đường kính và chiều dài thân xupáp và cótrị số vào khoảng (1,75  2,5) dnvới dn là đường kính nấm xupáp

Chiều dài ống dẫn hướng đối với xupáp nạp: ln = 2.27,8 = 55,6 (mm)

Chiều dài ống dẫn hướng đối với xupáp xả: lt = 2,15.24,7 = 53,1(mm)

Ø5.5 3 Ø5.5 3

Hình 3-7 Kết cấu ống dẫn hướng

a) - Ống dẫn hướng xupáp nạp; b) - Ống dẫn hướng xupáp xả

Một đầu của ống dẫn hướng được vát côn để việc lắp ghép được dễ dàng.

3.1.6 Lò xo xupáp:

Lò xo xupáp dùng để đóng kín xupáp trên đế xupáp và đảm bảo xupáp chuyểnđộng theo đúng quy luật của cam phân phối khí, do đó trong quá trình mở đóngxupáp không có hiện tượng va đập trên mặt cam Lò xo chịu tải trọng thay đổi theochu kỳ và chịu dao động.Vật liệu chế tạo lò xo xupáp thường dùng dây thép cóđường kính 3  5(mm), ta chọn 3 (mm) loại thép C65

Kết cấu lò xo dạng xoắn ốc hình trụ Hai vòng ở hai đầu lò xo quấn sít nhau vàmài phẳng để lắp ghép Bước xoắn trên cùng của lò xo có đường kính nhỏ hơn sovới các vòng còn lại của lò xo Sự chênh lệch này có kích thước A = 1,95 (mm)

3.1.7 Kết cấu con đội:

Con đội là chi tiết máy truyền lực trung gian Kết cấu của con đội gồm hai phần:phần dẫn hướng (thân con đội) và phần mặt tiếp xúc

Động cơ Z6 ta chọn loại con đội hình trụ vì loại con đội hình nấm dược dùngchủ yếu trong cơ cấu phân phối xupáp đặt Khi dùng con đội hình trụ này thì dạng

cam phân phối khí phải là cam lồi Đường kính mặt tiếp xúc với cam phải có đườngkính lớn để tránh hiện tượng kẹt.

Loại con đội này có kết cấu đơn giản, gọn nhẹ và dễ chế tạo Đường kính thâncon đội có kích thước bằng đường kính mặt tiếp xúc

Mặt tiếp xúc giữa con đội thường không phải là mặt phẳng mà là mặt cong cóđường kính khá lớn Làm như vậy để tránh hiện tượng mòn vẹt con đội khi màđường tâm con đội không thẳng góc với đường tâm trục cam

Ngoài ra để thân con đội và mặt nấm mòn đều ta thường lắp con đội lệch vớicam một khoảng e = 1  3 (mm) Như thế trong quá trình làm việc con đội vừa tịnhtiến vừa có thể xoay quanh trục của nó

.Đường kính đáy và chiều dài thân của con đội của xupáp nạp và xupáp thải nhưnhau

Đường kính thân con đội d = 29,96 (mm)

Chiều dài thân con đội l = 27,5 (mm)

29,96 Ø

29,96 Ø

Hình 3- 9 Kết cấu con đội

a) - Con đội xupáp nạp; b) - Con đội xupáp thải

Trục cam chịu hầu hết các lực của cơ cấu phân phối khí như: lực lò xo xupáp,lực quán tính con đội, lực khí thể bắt đầu thải, chịu mài mòn,… Vì vậy đòi hỏi trụccam phải có độ cứng vững, độ bền tốt

Vật liệu chế tạo trục cam thường là thép có thành phần cácbon thấp Các mặtlàm việc của cam được thấm than và tôi cứng để giảm sự mài mòn

Cam chế tạo cần phải có độ đồng tâm cao Sai lệch độ đồng tâm cho phép lớn nhất

là 0,03 (mm)

Đường kính cổ trục cam dc = 25 (mm)

* Cam nạp và cam xả: Trên 2 trục cam, cam nạp và cam xả được bố trí liền trụcnhau Kích thước của các cam lớn hơn kích thước trục Hình dạng của cam phụthuộc vào pha phân phối khí và quy luật đóng mở xupáp

Số cam nạp: 8 cam

Số cam thải: 8 cam

Chiều cao cam nạp hn = 41,373 (mm)

Chiều cao cam xả ht = 41,495 (mm)

Trong động cơ một hàng xilanh góc lệch đỉnh cam của hai cam cùng tên được xác định bởi thứ tự làm việc của các xilanh và chiều quay của trục cam Trong động cơ

4 kỳ góc lệch 1 giữa hai đỉnh cam cùng tên của hai xilanh làm việc kế tiếp nhau bằng nửa góc công tác k của hai xilanh ấy 1 = k/2

i là số xilanh i = 4.

0 0

2 4

4 180

20

20 Ø25

Ø25

R2

M? T C? T B - B M? T C? T A-A

3.2 Hệ thống thay đổi góc phân phối khí:

3.2.1 Pha phân phối khí trong động cơ:

Để thải sạch sản vật cháy ra khỏi xilanh, xupáp xả không đóng tại vị trí ĐCT màđóng chậm hơn một chút (khi trục khuỷu đã quay quá ĐCT vào khoảng 5  300

góc quay trục khuỷu, nghĩa là khi bắt đầu kỳ một)

Để giảm cản cho quá trình nạp, có nghĩa là đảm bảo cho đường thông qua xupápnạp đã được mở rộng dần trong khi piston đi xuống trong kỳ một, xupáp nạp cũngđược mở sớm hơn một chút (trước khi piston đến ĐCT khoảng 10  400 góc quaytrục khuỷu) Như vậy vào cuối kỳ bốn và đầu kỳ một cả xupáp nạp và xả đều mở.Giai đoạn cùng mở của các xupáp nạp và xả được gọi là thời kỳ trùng điệp của cácxupáp Thời kỳ này có tác dụng tốt đến việc thải sạch khí xả và nạp đầy môi chấtmới vào xilanh nhờ tác dụng hút của dòng khí xả trên đường ống thải

Giai đoạn tính từ lúc mở đến lúc đóng các xupáp (tính bằng góc quay trụckhuỷu) được gọi là pha phân phối khí

Ảnh hưởng của pha phân phối khí đến quá trình nạp và thải của động cơ bốn kỳđược thể hiện qua hệ số nạp thêm  1 và hệ số quét buồng cháy  2 Các hệ số nàylàm cho giá trị của hệ số khí nạp v và hệ số khí sót r tính theo pha phân phốikhí lý thuyết được sát với giá trị thực trong động cơ thực tế

Hiện nay chưa có một phương pháp giải tích chặt chẽ để xác định  1 và  2

theo thời điểm mở và đóng các xupáp nạp và xupáp xả,  1 và  2 được chọn dựavào số liệu thực nghiệm Vì vậy cần phải tìm hiểu kỹ các pha phân phối của những

động cơ đã chế tạo và ảnh hưởng của chúng đến diễn biến quá trình nạp và thải củađộng cơ.

ĐCD ĐCT

Hình 3-11 Pha phân phối khí

1 Vị trí mở xupáp nạp; 2 Vị trí đóng xupáp nạp.3 Vị trí mở xupáp xả; 4 Vị trí

đóng xupáp xả

3.2.2 Ảnh hưởng của pha phân phối đến quá trình hoạt động của động cơ:

Xupáp xả bắt đầu mở sớm trước khi piston tới ĐCD nhằm tạo điều kiện thuậnlợi cho quá trình thải, bằng cách cho sản vật cháy tự thoát ra nhờ chênh áp giữaxilanh và đường thải Với mục đích làm giảm tải trọng động cho xupáp, cần phảicho xupáp mở và đóng đường thông một cách từ từ Chính vì vậy việc mở sớmxupáp thải nhằm tạo ra giá trị “thời gian – tiết diện” đủ để áp suất trong xilanh đượcgiảm đến mức yêu cầu khi piston bắt đầu đi ngược từ ĐCD lên ĐCT Khi đã mởsớm xupáp xả vào thời điểm hợp lý (điểm 3) sẽ làm giảm công tiêu hao cho việcđẩy khí thải Nhưng nếu mở xupáp xả quá sớm (điểm 2) sẽ làm giảm công giãn nở trên đồ thị công, qua đó làm giảm công suất động cơ Tốc độ của động cơ càng caothì thời điểm mở xupáp xả phải càng sớm

Hình 3-12 Ảnhhưởng của pha phânphối đến quá trìnhhoạt động của động cơ Xupáp xả bao giờcũng đóng muộn (saukhi piston đã đi quaĐCT) nhằm đảm bảo

đủ trị số “thời gian – tiết diện” cho sản vật cháy đi ra ở cuối hành trình thải, mặtkhác nhằm lợi dụng chênh áp p r p r  p th > 0 để sản phẩm cháy được thải tiếp,giảm lượng khí sót còn lại trong xilanh Ngoài ra, việc đóng muộn xupáp xả cònnhằm sử dụng quán tính của dòng khí trên đường thải, sinh ra giảm áp có tính chu

kỳ, thấp hơn giá trị trung bình của p th, tạo điều kiện thuận lợi để thải sạch hơn.Thời gian bắt đầu mở xupáp nạp cần chọn sao cho khi áp suất trong xilanh (dogiãn nở của khí sót) hạ xuống thấp hơn áp suất môi chất trên đường nạp, thì tiết diệnlưu thông của xupáp nạp đã đủ lớn để môi chất mới đi vào Do đó thường phải mởsớm xupáp nạp (trước khi piston tới ĐCT)

Xupáp nạp cũng thường đóng muộn, sau khi piston đã vượt qua ĐCD nhằm nạpthêm môi chất mới vì ở ĐCD tiết diện lưu thông qua xupáp còn mở lớn, áp suất pa

trong xilanh còn thấp hơn áp suất pk Quán tính của môi chất mới từ đường nạp vàoxilanh vẫn còn Do đó có thể kéo dài quá trình nạp thêm một giai đoạn sau ĐCDcho đến khi áp suất trong xilanh trở nên lớn hơn pk

3.2.3 Cơ sở lý thuyết của hệ thống thay đổi góc phối khí:

Động cơ hoạt động ở các tốc độ khác nhau, ở mỗi tốc độ tương ứng với một phaphân phối khí cũng khác nhau để cho hệ số nạp v là lớn nhất Khi hệ số nạp v

đạt được tối ưu đồng nghĩa với công suất động cơ phát ra là tối ưu ở dãi tốc độ đó.Theo nguyên lý động cơ thì người ta muốn các giá trị thực tế của hệ số nạp và hệ

số khí sót tính theo pha phân phối đựợc gần với giá trị theo lý thuyết

Mặt khác khi các xupáp đóng mở các cửa nạp và thải đúng lúc theo từng tốc độkhác nhau cũng cải thiện được các sản vật cháy sinh ra ít gây ô nhiễm môi trường.Như vậy, để cho động cơ làm việc tốt nhất, hiệu quả nhất ở mỗi chế độ làm việcthì phải cần có một pha phân phối tương ứng hay nói cách khác thì các góc đóng

mở của các xupáp phải thay đổi theo phù hợp với tốc độ động cơ Đối với các động

cơ thông thường việc làm này rất khó khăn

Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ nhất là côngnghệ điều khiển tự động Hơn hết là điều khiển tự động bằng thủy lực Điều khiểnbằng thủy lực làm việc có hiệu quả cao, độ nhạy lớn, phù hợp với việc điều khiểncác cơ cấu mang tính chính xác cao Nhiều nhà sản xuất, chế tạo động cơ trên thếgiới đã áp dụng công nghệ này vào việc điều khiển các cơ cấu, các chi tiết,… trongđộng cơ Đi đầu là nhà sản xuất động cơ Ford áp dụng hệ thống xoay trục cam nạp

vào việc điều khiển cơ cấu phân phối khí trong động cơ Với hệ thống này sẽ tựđộng điều khiển xoay trục cam nạp đi một góc nào đó để thay đổi góc phân phối khíphù hợp với từng chế độ làm việc của động cơ.

Hệ thống xoay trục cam nạp sử dụng áp suất dầu bôi trơn của động cơ cùng với

sự điều khiển của van điện từ làm xoay trục cam dẫn động xupáp

Khi sử dụng hệ thống này trong cơ cấu phân phân phối khí có thể làm cho cácgiá trị của hệ số khí nạp và hệ số khí sót thực tế gần với giá trị theo tính toán lýthuyết ở các tốc độ khác nhau của động cơ Đồng thời cũng làm tăng khả năng tiếtkiệm nhiên liệu, làm giảm nồng độ khí xả độc hại, mang lại tính kinh tế cao đáp ứngđược các yêu cầu của người tiêu dùng và tiêu chuẩn về mức độ ô nhiễm môi trườngcủa thế giới đặt ra

Tuy nhiên để việc điều khiển chính xác cho hệ thống trong cơ cấu phân phối khícần phải lắp các cảm biến để nhận biết được trạng thái làm việc của động cơ nhưcảm biến vị trí trục khuỷu, cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến vị trí trục cam, cảmbiến nhiệt độ nước làm mát,… Các giá trị nhận được từ các cảm biến sẽ truyền đến

bộ xử lý tính toán ECU của động cơ

3.3 Đặc điểm,kết cấu của hệ thống thay đổi góc phân phối khí:

3.3.1 Chức năng của hệ thống:

Hệ thống làm thay đổi góc phân phối khí sao cho phù hợp với điều kiện làm việccủa động cơ Hệ thống sử dụng áp suất thuỷ lực điều khiển bằng van điện từ đểxoay trục cam nạp và 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 cáctín hiệu nhận được từ các cảm biến và được 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 côngsuất động cơ, tăng tính kinh tế và giảm ô nhiễm môi trường

* Cấu tạo:

Cấu tạo hệ thống gồm: Bộ điều khiển phối khí, van điều khiển phối khí, ECUđộng cơ, cảm biến vị trí trục khuỷu, cảm biến lưu lượng khí nạp và cảm biến vị tríbướm ga, cảm biến vị trí trục cam, cảm biến nhiệt độ nước làm mát Trong đó hai

bộ phận quan trọng nhất của hệ thống là van điều khiển phối khí (OCV) và bộ điềukhiển

pittôn cuộn dây

Hình 3-13 Sơ đồ điều khiển hệ thống xoay cam nạp

Bộ phận chấp hành của hệ thống bao gồm bộ điều khiển dùng để xoay trục camnạp, áp suất dầu dùng làm xoay bộ điều khiển, và van điều khiển dầu phối khí trụccam để điều khiển đường đi của dầu

3.3.2 Bộ điều khiển của hệ thống:

Bộ điều khiển làm nhiệm vụ quay trục cam nạp theo sự điều khiển của ECUđộng cơ

Bộ điều khiển bao gồm một vỏ được dẫn động bởi xích cam và các cánh quayđược gắn cố định trên trục cam nạp bằng bulông và chốt định vị Trong cánh quay

có các đường dẫn dầu thông với trục cam để dẫn dầu vào các khoang bên trong bộđiều khiển Áp suất dầu được gửi từ phía làm sớm hay phía làm muộn trục cam nạp

sẽ xoay các cánh gạt của bộ điều khiển hệ thống theo hướng tương ứng để thay đổithời điểm phối khí của xupáp

Hình 3-14 Cấu tạo bộ điều khiển

Ngoài ra trên cánh quay còn có lắp chốt hãm, cố định cánh quay với đĩa xích khiđộng cơ chưa làm việc Khi động cơ ngừng, trục cam nạp chuyển động đến trạng

thái muộn nhất để duy trì khả năng khởi động Khi áp suất dầu không đến bộ điềukhiển hệ thống ngay lập tức sau khi động cơ khởi động, chốt hãm sẽ hãm các cơ cấuhoạt động của bộ điều khiển hệ thống xoay cam nạp để tránh tiếng gõ.

3.3.3 Van điều khiển phối khí:

Van điều khiển phối khí làm nhiệm vụ điều khiển đường dầu đến bộ điều khiểntheo tín hiệu điều khiển của ECU

Khi nhận tín hiệu từ ECU động cơ qua giắc nối điều khiển van điện từ đóng mởcác đường đến bộ điều khiển về phía mở sớm hay muộn tuỳ theo tín hiệu điều khiểnphụ thuộc vào chế độ làm việc của động cơ

Van điều khiển dầu phối khí trục cam chọn đường dầu đến bộ điều khiển tươngứng với độ lớn dòng điện từ ECU động cơ Bộ điều khiển quay trục cam nạp tươngứng với các vị trí đặt áp suất dầu vào, để làm sớm, làm muộn hoặc duy trì thời điểmphối khí

ECU động cơ tính toán thời điểm đóng mở xupáp tối ưu dưới các điều kiện hoạtđộng khác nhau theo tốc độ của động cơ, lưu lượng khí nạp, vị trí bướm ga và nhiệt

độ nước làm mát để điều khiển van phối khí trục cam Hơn nữa, ECU dùng các tínhiệu từ các cảm biến vị trí trục cam và cảm biến vị trí trục khuỷu để tính toán thờiđiểm phối khí thực tế và thực hiện điều khiển phản hồi để đạt được thời điểm phốikhí chuẩn

Khi nhận tín hiệu từ ECU động cơ qua giắc nối điều khiển van điện từ đóng mởcác đường đến bộ điều khiển về phía mở sớm hay muộn tuỳ theo tín hiệu điều khiểnphụ thuộc vào chế độ làm việc của động cơ

10

9 11

Hình 3-15 Cấu tạo của van điều khiển phối khí (OCV)

1 Vỏ van ; 2 Lò xo ; 3 Đường dầu về; 4 Đường dầu đi;5 – Đường dầu về; 6 Phớt chắn dầu; 7 - Cuộn dây điện từ; 8 – Piston; 9 – Dắt cắm; 10 – Đến bộ điều

-khiển (phía mở muộn); 11 – Đến bộ điều -khiển (phía mở sớm)

3.3.4 Cảm biến vị trí bướm ga:

Có 2 loại cảm biến vị trí bướm ga như sau:

* Loại tiếp điểm (bật- tắc)

* Loại tuyến tính

+ Cảm biến biến trở (loại tiếp xúc)

+ Cảm biến Hall (loại không tiếp xúc)

Ta chọn loại cảm biến vị trí bướm ga loại tuyến tính (cảm biến Hall) vì nó có ưuđiểm như sau: nó nhận biết góc mở bướm ga một cách liên tục (và phát ra dữ liệunày từ tín hiệu VTA), do đó loại này nhận biết góc mở bướm ga chính xác hơn

* Kết cấu và nguyên lý hoạt động:

Cảm biến vị trí bướm ga loại phần tử Hall gồm có các mạch IC Hall làm bằngcác phần tử Hall và các nam châm quay quanh chúng Các nam châm được lắp trêntrục của bướm ga và quay cùng trục bướm ga

Khi bướm ga mở các nam châm quay cùng một lúc và các nam châm này thayđổi vị trí của chúng Vào lúc đó IC Hall phát hiện thay đổi từ thông gây ra bởi sựthay đổi vị trí nam châm và tạo ra điện áp của hiệu ứng Hall từ các cực VTA vàVTA2 theo mức thay đổi này Tín hiệu này được truyền đến ECU động cơ như tínhiệu mở bướm ga

Hình 3-16 Cảm biến vị trí bướm ga

1: Các IC Hall; 2: Các nam châm; 3: Bướm ga

* Mạch điện cảm biến vị trí bướm ga

Hình 3-17 Sơ đồ điện cảm biến vị trí bướm ga

1: Các IC Hall; 2: Các nam châm

Cảm biến vị trí bướm ga có 2 tín hiệu phát ra VTA và VTA2 VTA được dùng

để phát hiện góc mở bướm ga và VTA2 được dùng để phát hiện hư hỏng trongVTA Điện áp cấp vào VTA và VTA2 thay đổi từ 0-5V tỉ lệ thuận với góc mở củabướm ga ECU thực hiện một vài phép kiểm tra để xác định đúng hoạt động củacảm biến vị trí bướm ga và VTA

3.3.5 Cảm biến vị trí trục cam:

Hình 3-18 Cảm biến vị trí trục cam

1 - Cuộn dây; 2 - Thân cảm biến ; 3 - Lớp cách điện; 4 - Giắc cắm

* Nguyên lý làm việc: Trên trục cam đối diện với cảm biến vị trí trục cam là đĩa tínhiệu G có 3 răng Khi trục cam quay, khe hở không khí giữa các vấu nhô ra trên trụccam và cảm biến này sẽ thay đổi Sự thay đổi khe hở tạo ra một điện áp trong cuộnnhận tín hiệu được gắn vào cảm biến này, sinh ra tín hiệu G Tín hiệu G này đượctruyền đi như một thông tin về góc chuẩn của trục khuỷu đến ECU động cơ, kết hợp

nó với tín hiệu NE từ trục khuỷu để xác định điểm chết trên kì nén của mỗi xy lanh

để đánh lửa và phát hiện góc quay trục khuỷu ECU động cơ dùng thông tin này đểxác định thời gian phun và thời điểm đánh lửa