TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Cơ cấu phân phối khí
Cơ cấu phân phối khí đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển quá trình trao đổi khí trong buồng cháy của động cơ Nó giúp thải sạch khí thải ra khỏi xylanh và nạp đầy hỗn hợp hoặc không khí mới vào xylanh, đảm bảo động cơ hoạt động liên tục và hiệu quả.
Cơ cấu phối phải đảm bảo các yêu cầu sau:
- Đóng mở đúng quy luật và thời điểm quy định.
- Độ mở lớn để dòng khí dễ dàng lưu thông.
- Đóng kín, xupáp thải không tự mở trong quá trình nạp.
- Ít mòn, tiếng ồn bé.
- Dễ dàng điều chỉnh, sửa chữa, giá thành chế tạo thấp.
Cơ cấu phân phối khí được phân thành các loại sau:
Cơ cấu phối khí dùng cam xupap
Cơ cấu phối khí là một thành phần quan trọng trong động cơ đốt trong, nổi bật với thiết kế đơn giản và dễ chế tạo Nó không chỉ dễ điều chỉnh mà còn có chi phí sản xuất hợp lý, khiến nó trở thành sự lựa chọn phổ biến trong ngành công nghiệp.
Cơ cấu phối khí dùng van trượt
Cơ cấu này sở hữu nhiều ưu điểm nổi bật như tiết diện lưu thông lớn, khả năng làm mát hiệu quả và vận hành êm ái Tuy nhiên, với kết cấu phức tạp và chi phí sản xuất cao, nó thường chỉ được áp dụng cho các loại xe đặc biệt, chẳng hạn như động cơ xe đua.
Cơ cấu phối khí dùng piston đóng mở cửa nạp và cửa thải:
Trong một số động cơ hai kỳ, quá trình nạp và thải khí được thực hiện thông qua lỗ quét vòng, với piston hoạt động như van trượt để mở và đóng các lỗ nạp và thải Đặc điểm nổi bật của loại động cơ này là không có cơ cấu dẫn động van trượt riêng biệt, mà vẫn sử dụng cơ cấu khuỷu trục và thanh truyền để điều khiển piston.
Cơ cấu phân phối khí hỗn hợp thường dùng lỗ để nạp và xupáp để thải khí.
Động cơ 1 TR-FE
1.2.1 Giới thiệu chung Động cơ 1TR-FE lắp trên xe Innova của hãng Toyota là loại động cơ xăng thế hệ mới, 4 xy lanh thẳng hàng, dung tích xy lanh 2,0lít trục cam kép DOHC 16 xupap dẫn động bằng xích thông qua con đội thuỷ lực với hệ thống van nạp được điều khiển thông minh VVT-i. Động cơ có công suất 100Kw/5600v/p có hệ thống đánh lửa trực tiếp điều khiển bằng điện tử và hệ thống nhiên liệu phun trực tiếp điều khiển bởi ECU
Toyota Innova có 2 loại: Innova G và Innova J
Loại xe Innova G Innova J Động cơ 2.0 lít (1TR-FE) 2.0 lít (1TR-FE)
Hộp số 5 số tay 5 số tay
Số chỗ ngồi 8 chỗ 8 chỗ
Bảng 1 1 Thông số động cơ
1.2.2 Các thông số kỹ thuật cuae xe Innova
Trọng lượng và kích thước xe
Trọng lượng toàn tải 2170 kg 2600 kg
Trọng lượng không tải 1530 kg 1515 kg
Dài x rộng x cao toàn bộ 4555mm x 1770mm x 1745mm
Chiều dài cơ sở 2750 mm 2750 mm
Chiều rộng cơ sở 1510 mm 1510 mm
Khoảng sáng gầm xe 176 mm 176 mm
Bảng 1 2 Trọng lượng và kích thước xe Innova Động cơ
Loại động cơ 1TR-FE
Kiểu 4 xilanh thẳng hàng, 16 van, cam kép
DOHC có VVT-i, dẫn động xích.
Dung tích công tác 1998 cm 3 Đường kính xy lanh D 86 mm
Công suất tối đa 100Kw/5600 rpm
Mô men xoắn tối đa 182/4000 (N.m/rpm)
Hệ thống phun nhiên liệu L-EFI
Tiêu chuẩn khí xả Euro Step 2
Cơ cấu phối khí 16 xupap dẫn động bằng xích, có VVT- i
Nạp Mở 52 0 ~0 0 BTDC Đóng 12 0 ~64 0 ABDC
Xả Mở 44 0 BTDC Đóng 8 0 ABDC Độ nhớt /cấp độ của dầu bôi trơn 5W-30/API SL, SJ, EC or ILSAC
Bảng 1 3 Thông số động cơ
Treo trước Độc lập với lò xo cuộn, đòn kép và thanh cân bằng Treo sau 4 điểm liên kết, lò xo cuộn và tay đòn bên
Phanh trước Đĩa thông gió
Bán kính quay vòng tối thiểu 5,4 m
Dung tích bình xăng 55 lit
Vỏ và mâm xe 205/65R15 Mâm đúc 195/70R14 Thép, chụp kínBảng 1 4 Thông số khung xe
NGUYÊN LÝ VÀ KẾT CẤU CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ VVT-I TRÊN ĐỘNG CƠ TOYOTA
Đặc điểm chính của cơ cấu phân phối khí VVT-i
2.1.1 Pha phân phối khí của cơ cấu phân phối khí VVT-i
Pha phân phối khí của động cơ liên quan đến các góc mở sớm và đóng muộn của xupáp Thời gian mở sớm và đóng muộn được xác định bằng góc quay của trục khuỷu, được tính bằng độ.
Pha phân phối khí của động cơ ảnh hưởng lớn đến hoạt động của nó, thể hiện qua hệ số khí nạp (ηv) và hệ số khí sót (γr), quyết định công suất và mức độ ô nhiễm môi trường Để thải sạch sản phẩm cháy, xupáp xả đóng chậm hơn ĐCT khoảng 5-30 độ, trong khi xupáp nạp mở sớm hơn 10-40 độ trước ĐCT Cuối kỳ bốn và đầu kỳ một, cả xupáp nạp và xả đều mở, tạo ra thời kỳ trùng điệp giúp thải khí xả hiệu quả và nạp đầy môi chất mới vào xilanh nhờ tác dụng hút của dòng khí xả.
Pha phân phối khí, tính từ lúc mở đến lúc đóng các xupáp (theo góc quay trục khuỷu), ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình nạp và thải của động cơ bốn kỳ Sự tác động này được thể hiện qua hệ số nạp thêm λ1 và hệ số quét buồng cháy λ2, giúp điều chỉnh giá trị của hệ số khí nạp ηv và hệ số khí sót γr, từ đó làm cho các giá trị này gần sát với thực tế trong động cơ.
Hình 2 1 Pha phân phối khí 1- Vị trí mở xupap nạp; 2- Vị trí đóng xupap nạp.3- Vị trí mở xupap xả; 4- Vị trí đóng xupap xả.
Hiện tại, chưa có phương pháp giải tích chính xác để xác định λ1 và λ2 theo thời điểm mở và đóng các xupap nạp và xả, do đó, λ1 và λ2 thường được lựa chọn dựa trên dữ liệu thực nghiệm Vì vậy, việc nghiên cứu kỹ lưỡng các pha phân phối của động cơ đã chế tạo và tác động của chúng đến quá trình nạp và thải của động cơ là rất cần thiết Pha phân phối có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất hoạt động của động cơ.
Xupáp thải được mở sớm trước khi piston tới ĐCD để tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình thải, giúp sản vật cháy tự thoát ra nhờ chênh áp giữa xilanh và đường thải Việc mở và đóng xupáp từ từ giúp giảm tải trọng động cho xupáp Mở sớm xupáp thải tạo ra giá trị “thời gian – tiết diện”, giảm áp suất trong xilanh khi piston đi ngược từ ĐCD lên ĐCT, từ đó giảm công tiêu hao cho việc đẩy khí thải Tuy nhiên, nếu mở xupáp thải quá sớm, sẽ làm giảm công giãn nở và công suất động cơ Tốc độ động cơ càng cao, thời điểm mở xupáp thải cần phải càng sớm.
Xupáp thải thường đóng muộn sau khi piston đã đi qua ĐCT, nhằm đảm bảo thời gian và tiết diện cho sản phẩm cháy ra ngoài Việc này cũng tận dụng chênh áp Δp r = p r − p th > 0, giúp thải sản phẩm cháy và giảm lượng khí sót trong xilanh Hơn nữa, việc đóng muộn còn khai thác quán tính của dòng khí trên đường thải, tạo ra giảm áp chu kỳ thấp hơn giá trị trung bình của p th, từ đó cải thiện hiệu quả thải sạch.
Thời gian mở xupáp nạp cần được xác định chính xác để đảm bảo áp suất trong xilanh giảm xuống dưới áp suất môi chất trên đường nạp, cho phép môi chất mới vào dễ dàng Việc mở xupáp nạp thường được thực hiện sớm, trước khi piston đạt đến ĐCT, để đảm bảo tiết diện lưu thông đủ lớn cho quá trình nạp.
Động cơ cao tốc, đặc biệt là động cơ diesel, có đặc điểm đóng muộn xupap xả và mở sớm xupap nạp, dẫn đến hiện tượng trùng điệp cùng mở của các xupap Khi đó, mặc dù piston đã di chuyển từ điểm chết trên xuống, dòng khí trên đường thải vẫn chưa thay đổi hướng, trong khi khí nạp đã bắt đầu đi vào xilanh qua xupap nạp nhờ lực hút từ quán tính của dòng khí thải Thời gian trùng điệp này đôi khi còn hỗ trợ quá trình quét buồng cháy, giúp môi chất mới vào buồng cháy đẩy khí sót ra ngoài qua đường thải, đặc biệt trong động cơ diesel.
Thời gian trùng điệp của động cơ tăng áp thường lớn hơn động cơ không tăng áp, nhờ vào việc mở sớm xupáp nạp mà không làm sản vật cháy xâm nhập vào đường nạp Việc quét buồng cháy khi tăng áp không chỉ tăng hệ số nạp mà còn giúp làm mát các chi tiết nóng như đỉnh piston, nắp xilanh và xupáp Xupáp nạp thường đóng muộn, sau khi piston vượt qua ĐCD, nhằm nạp thêm môi chất mới, vì tại ĐCD, áp suất trong xilanh vẫn thấp hơn áp suất trong đường nạp Điều này cho phép kéo dài quá trình nạp cho đến khi áp suất trong xilanh lớn hơn áp suất đường nạp.
2.1.2 Cơ sở lý thuyết của hệ thống VVT-i
Phân tích cho thấy động cơ hoạt động ở các tốc độ khác nhau, với mỗi tốc độ tương ứng là một pha phân phối khí riêng biệt nhằm tối ưu hóa hệ số nạp η v Khi hệ số nạp η v đạt giá trị tối ưu, công suất động cơ cũng sẽ đạt hiệu suất tối ưu trong dải tốc độ đó.
Theo nguyên lý động cơ đốt trong, động cơ vận tải hoạt động ở các tốc độ khác nhau, mỗi tốc độ tương ứng với một pha phân phối khí tối ưu để đạt được hệ số nạp η v cực đại Đường số 1 biểu thị sự biến thiên của hệ số nạp η v = f(n) khi áp dụng pha phân phối khí tối ưu ở tốc độ lớn n ’, trong khi đường 2 thể hiện góc phối khí tối ưu ở tốc độ nhỏ n ’’ Đường nét đứt 3 cho thấy sự biến thiên của η v = f(n) nhờ vào pha phân phối khí tối ưu cho từng tốc độ Nhờ vậy, giá trị thực tế của hệ số nạp và hệ số khí sót gần với giá trị lý thuyết ở các chế độ làm việc của động cơ.
Pha phân phối khí có ảnh hưởng lớn đến hệ số nạp của động cơ, thể hiện qua các góc mở sớm và đóng muộn của xupap Việc điều chỉnh các góc này không chỉ tối ưu hóa hiệu suất nạp mà còn cải thiện khả năng hoạt động của động cơ.
“Tiết diện - thời gian” của đường thông qua xupap nạp và xupap thải từ lúc mở đến khi đóng giúp giảm tốc độ dòng chảy và cản của xupap, từ đó tăng hệ số nạp η v Giá trị “tiết diện - thời gian” được tính theo biểu thức cụ thể.
(m 2 s) (2-1) Với : n : Tốc độ động cơ (vòng /phút) f : Tiết diện lưu thông qua xupáp (m 2 ) d : Vi lượng góc quay trục khuỷu (độ)
Giá trị ∫ ϕmo ϕdong fd ϕ được xác định qua diện tích đồ thị phía dưới đường f = f() hình.2.4
Trị số “tiết diện - thời gian” của xupáp nạp ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ, đồng thời việc đóng mở các xupáp nạp và thải đúng thời điểm theo từng tốc độ khác nhau giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường do sản vật cháy.
Để đảm bảo động cơ hoạt động hiệu quả ở từng chế độ làm việc, cần thiết phải có một pha phân phối phù hợp, tức là các góc đóng mở của xupáp phải điều chỉnh theo tốc độ động cơ Tuy nhiên, việc thực hiện điều này đối với các động cơ thông thường gặp nhiều khó khăn.
Nguyên lý làm việc của hệ thống VVT-i
Nguyên lý điều khiển điện tử:
Cảm biến vị trí trục cam, cảm biến nhiệt độ nước làm mát, cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến lưu lượng khí nạp và cảm biến vị trí trục khuỷu đều là những thành phần quan trọng trong hệ thống động cơ Chúng giúp theo dõi và điều chỉnh các thông số hoạt động, đảm bảo hiệu suất tối ưu và giảm thiểu khí thải Việc hiểu rõ chức năng của từng cảm biến sẽ hỗ trợ trong việc bảo trì và sửa chữa động cơ hiệu quả hơn.
Bộ điều khiển xoay cam Van điều khiển phối khí
Thời điểm phối khí thực tế Hiệu chỉnh
Thời điểm phối khí cần chỉnh
Phản hồi ECU õọỹng cồ
Sơ đồ điều khiển điện tử ECU của động cơ tính toán thời điểm phối khí tối ưu dựa trên tín hiệu từ các cảm biến Sau đó, ECU so sánh thời điểm phối khí này với thời điểm thực tế nhận biết từ tín hiệu cảm biến và điều khiển van dầu để điều chỉnh góc xoay của trục cam.
Cảm biến vị trí trục khuỷu và cảm biến vị trí trục cam đóng vai trò quan trọng trong việc xác định thời điểm phối khí của động cơ thông qua ECU Cảm biến vị trí trục khuỷu cũng giúp nhận biết tốc độ động cơ Bên cạnh đó, cảm biến vị trí bướm ga và cảm biến vị trí lưu lượng khí nạp cung cấp thông tin về tải động cơ, với các tín hiệu này được gửi về ECU để xử lý Bộ xử lý ECU tiếp nhận và xử lý các tín hiệu từ cảm biến, từ đó điều khiển van phối khí đóng mở phù hợp với chế độ hoạt động của động cơ.
2.2.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống VVT-i a) Nguyên lý làm việc của bộ điều khiển ở chế độ xupáp mở muộn nhất:
Bộ điều khiển ở chế độ mở muộn nhất được áp dụng cho các trường hợp động cơ khởi động, dừng, chạy không tải và chạy ở nhiệt độ thấp, nơi yêu cầu hỗn hợp nhiên liệu đậm đặc để dễ khởi động và ổn định hơn Trong các chế độ này, bướm ga mở nhỏ dẫn đến độ chân không thấp trước xupáp nạp, làm giảm chênh áp suất giữa trước và sau xupáp, gây khó khăn cho khí nạp vào xilanh Hệ số khí sót trong xilanh cao và có xu hướng quay lại đường nạp, do đó cần mở trễ xupáp nạp để giảm lượng khí sót Khi áp suất khí sót đủ nhỏ, chênh áp giữa trước và sau xupáp nạp tăng lên, cho phép khí nạp vào xilanh đầy đủ Van điều khiển được điều chỉnh ở vị trí xoay trễ theo tần số tín hiệu từ ECU, với áp suất dầu ép vào buồng cánh gạt để quay trục cam Bộ điều khiển giữ chế độ mở muộn nhất nhờ chốt hãm trên cánh quay gắn với trục cam, trong khi đường dầu về phía muộn thông với cate làm áp suất giảm, và đường dầu về phía sớm được bơm vào, giữ cho bộ điều khiển ở chế độ mở muộn nhất.
Hình 2 10 Trạng thái bộ điều khiển ở chế độ muộn nhất
1 - Vỏ van ; 2 - Lò xo ; 3 - Đường dầu về; 4 - Đường dầu đi; ;5 - Phớt chắn dầu; 6 - Cuộn dây điện từ; 7 – Piston; 8 – Dắt cắm; 9, 10- Đến bộ điều khiển; 11 – Trục cam;
12 – Vỏ bộ điều khiển; 13 – Chốt hãm; 14 – Bulông; 15 – Phớt chắn dầu.
Trong các chế độ hoạt động, thời điểm phối khí của trục cam nạp cần được điều chỉnh để giảm hệ số nạp và lượng khí sót, từ đó cải thiện hiệu suất động cơ Việc phun một lượng nhiên liệu ít vào đường nạp nhưng vẫn đảm bảo hỗn hợp đậm giúp động cơ hoạt động ổn định hơn, đồng thời nâng cao tính kinh tế nhiên liệu khi khởi động Nguyên lý làm việc của bộ điều khiển ở chế độ giữ cũng góp phần quan trọng trong quá trình này.
Khi động cơ tăng tốc và chịu tải, ECU điều khiển van cung cấp dầu cho trục cam, điều chỉnh xupáp nạp mở sớm hơn phù hợp với chế độ hoạt động Điều này làm tăng góc trùng điệp, giúp tăng lượng khí hồi lưu và giảm nồng độ khí thải độc hại, đồng thời cải thiện hiệu suất nhiên liệu Ngoài ra, xupáp nạp cũng đóng sớm hơn để ngăn hỗn hợp khí và nhiên liệu quay trở lại đường nạp, từ đó tăng hệ số nạp.
Hình 2 11 Sơ đồ bộ điều khiển ở trạng thái giữ
1 - Vỏ van; 2 - Lò xo; 3 - Đường dầu về; 4 - Đường dầu đi;5 - Phớt chắn dầu; 6 - Cuộn dây điện từ; 7 – Piston; 8 – Dắt cắm; 9, 10- Đến bộ điều khiển; 11 – Trục cam;
12 – Vỏ bộ điều khiển; 13 – Chốt hãm; 14 – Bulông; 15 – Phớt chắn dầu.
Khi tăng tốc, tải đến một mức nhất định, ECU động cơ điều chỉnh hỗn hợp nhiên liệu để tối ưu hóa hiệu suất Van cung cấp dầu được điều khiển để phối khí quay trục cam đúng thời điểm, với dầu vào đường mở muộn tạo áp suất cao, đẩy chốt hãm và mở khóa Đồng thời, dầu vào khoang mở sớm làm xupáp nạp mở sớm ECU theo dõi tín hiệu từ cảm biến trục khuỷu để điều chỉnh góc quay cam nạp phù hợp với chế độ làm việc của động cơ Khi đạt được góc quay chính xác, ECU đóng các đường dầu và giữ trạng thái hệ thống Nếu có thay đổi về tải hoặc tốc độ, ECU sẽ điều chỉnh lại trạng thái giữ để phù hợp với hoạt động của động cơ.
Nguyên lý làm việc của bộ điều khiển ở chế xupáp nạp mở sớm nhất:
Hình 2 12 Sơ đồ bộ điều khiển ở chế độ mở sớm
1 - Vỏ van ; 2 - Lò xo ; 3 - Đường dầu đi; 4 - Đường dầu về; 5 - Phớt chắn dầu; 6 - Cuộn dây điện từ; 7 – Piston; 8 – Jack cắm; 9, 10- Đến bộ điều khiển; 11 – Trục cam;
12 – Vỏ bộ điều khiển; 13 – Chốt hãm; 14 – Bulông; 15 – Phớt chắn dầu.
Động cơ hoạt động ở tốc độ thấp đến trung bình và tải nặng thường xuyên, cần điều chỉnh để tối ưu hóa hiệu suất Khi tải tăng, độ mở bướm ga lớn giúp giảm sức cản dòng khí, làm giảm áp suất trong đường nạp và tăng áp suất trước xupáp nạp Để cải thiện tính kinh tế nhiên liệu và giảm khí thải độc hại, thời điểm phối khí cần được điều chỉnh sớm nhất, đặc biệt ở mức tải 100%, đồng thời xupáp nạp cũng phải đóng sớm để ngăn chặn hiện tượng hỗn hợp khí quay ngược ECU động cơ nhận tín hiệu từ các cảm biến như vị trí trục khuỷu, bướm ga, lưu lượng khí nạp và vị trí trục cam để xác định chế độ làm việc Dựa trên thông tin này, ECU điều khiển van phối khí dịch sang trái, cấp áp suất dầu vào buồng cánh gạt để mở sớm, đảm bảo cánh quay đến vị trí xupap mở sớm nhất.
Ưu, nhược điểm của hệ thống VVT-i
Hệ thống VVT-i của Toyota mang lại hiệu suất vượt trội bằng cách điều chỉnh thời điểm phối khí theo từng chế độ làm việc của động cơ Hệ thống này tạo ra các pha phân phối khí khác nhau, tối ưu hóa hiệu suất ở từng điều kiện vận hành Nhờ đó, động cơ trang bị VVT-i hội tụ ba lợi ích chính: tăng công suất, tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường Với những ưu điểm này, VVT-i đã trở thành công nghệ phổ biến trên hầu hết các loại động cơ của hãng Toyota.
- Cải thiện quá trình nạp và thải cho động cơ ở mọi chế độ làm việc.
- Tăng công suất cho động cơ do tăng được hệ số nạp.
- Tiết kiệm được nhiên liệu, tăng tính kinh tế cho động cơ.
- Động cơ chạy ở chế độ không tải ổn định hơn và dể khởi động hơn
Bên cạnh những ưu điểm vượt trội trên, hệ thống VVT-i cũng tồn tại những nhược điểm sau:
-Tăng số chi tiết ở cơ cấu phân phối khí là cho cấu phân phối khí có kết cấu phức tạp hơn.
- Tăng giá thành chế tạo động cơ.
- Bảo dưỡng và sửa chữa yêu cầu công nhân có trình độ tay nghề cao.
- Động cơ có hệ thống VVT-i thì yêu cầu chất lượng dầu bôi trơn cũng như lọc dầu bôi trơn cũng phải cao.
2.4 Kết cấu các cụm chi tiết của cơ cấu phân phối khí trên động cơ 1TR-FE
Xupáp là bộ phận quan trọng trong động cơ, đảm nhiệm việc điều chỉnh dòng khí nạp vào buồng đốt và xả khí thải ra ngoài trong thời gian ngắn của chu kỳ làm việc của pittông Trong quá trình hoạt động, xupáp phải chịu đựng cả tải trọng cơ học và tải trọng nhiệt, ảnh hưởng đến hiệu suất và độ bền của động cơ.
Nấm xupáp có khả năng chịu áp suất khí thể từ 0,6 đến 1,5 MN/m² và chịu ảnh hưởng của lực quán tính Khi hoạt động, nấm xupáp thường xuyên phải chịu va đập mạnh với đế xupáp, điều này làm tăng nguy cơ gây biến dạng cho chúng.
Về tải trọng nhiệt: Xupáp thải làm việc trực tiếp với khí thải có nhiệt độ khoảng
Ở nhiệt độ từ 1000 đến 1200 độ C và với tốc độ dòng khí vào khoảng 400 đến 600 m/s, xupáp thải thường gặp tình trạng quá nóng và bị xâm thực Trong khi đó, xupáp nạp được làm mát nhờ dòng khí nạp, do đó chịu nhiệt độ thấp hơn xupáp xả.
Xupáp được chế tạo từ các loại thép hợp kim chịu nhiệt tốt, giúp nó làm việc hiệu quả trực tiếp với khí cháy Lớp hợp kim này không chỉ giảm thiểu sự mòn mà còn chống gỉ cho bề mặt nấm xupáp thải.
Kết cấu của xupáp gồm 3 phần chính: Phần nấm xupáp, thân xupáp và phần đuôi.
Hình 2 13 Kết cấu xupap nạp và thải
Kết cấu nấm xupáp ảnh hưởng đến giá thành chế tạo, độ bền, trọng lượng và tình trạng dòng khí qua họng đế xupáp Đối với động cơ Duratec, nấm xupáp nạp và xả được sử dụng là loại nấm bằng, mang lại ưu điểm là dễ chế tạo và đơn giản.
Mặt côn của phần nấm là yếu tố quan trọng, với góc độ α= 45 độ, giúp đảm bảo độ bền và tiết diện lưu thông khi mở xupáp, đồng thời tạo điều kiện cho dòng khí lưu động dễ dàng Góc α càng nhỏ, tiết diện lưu thông càng lớn, nhưng cũng làm cho mặt nấm mỏng hơn, giảm độ cứng vững và dễ dẫn đến cong vênh, gây tiếp xúc không kín với đế xupáp Đôi khi, góc mặt côn trên nấm xupáp được thiết kế nhỏ hơn góc trên đế xupáp từ 0,5 đến 1 độ, nhằm đảm bảo xupáp tiếp xúc kín khít với đế ở mép ngoài của mặt côn, ngay cả khi mặt nấm có bị biến dạng nhẹ.
- Chiều rộng của mặt côn trên nấm xupáp nạp và thải b = 2 (mm).
- Đường kính của nấm xupáp nạp x n = 35 (mm).
- Đường kính của nấm xupáp thải x t = 30 (mm)
- Chiều dày của nấm xupáp nạp bằng (0,08 ¿ 0,12) X n = 0,114.35 = 4 (mm).
- Chiều dày của nấm xupáp thải bằng (0,08 ¿ 0,12) X t = 0,12.30 = 4 (mm).
Thân xupáp có đường kính đủ lớn để đảm bảo khả năng dẫn hướng và tản nhiệt tốt, đồng thời chịu được lực nghiêng trong quá trình đóng mở Để giảm nhiệt độ xupáp, người ta thường tăng đường kính thân xupáp và kéo dài ống dẫn hướng đến gần nấm xupáp, nhưng vẫn phải giữ kích thước hợp lý để đảm bảo tiết diện lưu thông Trong hệ thống phân phối khí của động cơ đang khảo sát, xupáp được dẫn động trực tiếp từ cam, dẫn đến việc thân xupáp phải có đường kính lớn để chịu lực ngang Thân xupáp nạp và xả có hình dạng trụ dài với chỗ chuyển tiếp giữa thân và nấm có góc lượn Đường kính thân xupáp nạp là 5,5 mm và đường kính thân xupáp xả cũng là 5,5 mm.
Chiều dài thân xupáp phụ thuộc vào cách bố trí xupáp và thường nằm trong khoảng từ 2,5 đến 3,5 Để đảm bảo lắp đặt ống dẫn hướng và lò xo xupáp, chiều dài này cần được lựa chọn một cách hợp lý.
Chiều dài thân của xupáp nạp: l tn = 79,78 (mm).
Chiều dài thân của xupáp thải: l tt = 81,72 (mm).
Phần đuôi xupáp cần được tôi cứng để chịu được va đập với con đội Ngoài ra, ở phần đuôi xupáp còn có khoét rãnh để lắp móng hãm, đảm bảo hiệu suất hoạt động tốt.
Kết cấu phần đuôi xupap bao gồm đế chặn lò xo phía trên, được kết nối với xupáp bằng hai móng hãm hình côn Các móng hãm này được lắp vào đoạn có đường kính nhỏ ở đuôi xupap, với mặt ngoài của móng hãm ăn khớp với mặt côn của lỗ đĩa lò xo.
Móng hãm được chế tạo dạng hình côn
Kiểu lắp sử dụng móng hãm mang lại lợi ích lớn bằng cách giảm thiểu ứng suất tập trung ở đuôi xupáp Tuy nhiên, quy trình gia công móng hãm lại gặp nhiều khó khăn.
Cơ cấu phân phối khí của động cơ khảo sát sử dụng xupáp treo, với đường thải và đường nạp được bố trí trong nắp xilanh Để giảm thiểu hao mòn cho thân máy và nắp xilanh do lực va đập của xupáp, người ta áp dụng đế xupáp ép vào họng đường thải và đường nạp Với việc thân máy và nắp xilanh được chế tạo từ hợp kim nhôm, đế xupáp cũng được ép cho cả hai đường nạp và thải.
Đế xupáp có cấu trúc đơn giản với mặt ngoài hình trụ và được vát côn để tương tác với nấm xupáp Chất liệu chế tạo đế là thép hợp kim có khả năng chịu mài mòn.
- Mặt côn của đế xupáp nạp và thải 45 0
- Chiều cao đế xupáp nạp h n = 7,9 (mm).
- Chiều cao của đế xupáp thải h t = 7,4 (mm).
- Đường kính họng đế xupáp nạp d n = 35 (mm).
- Đường kính họng đế xupáp thải d t = 33,17 (mm).
Hình 2 15 Kết cấu đế xupap
Ống dẫn hướng xupáp có vai trò quan trọng trong việc dẫn hướng thân xupáp, đảm bảo độ chính xác thẳng hàng giữa mặt xupáp và bệ đỡ Lỗ dẫn hướng cần trùng tâm với đế xupáp để đạt hiệu quả tối ưu Để thuận tiện cho việc gia công, sửa chữa và thay thế, ống dẫn hướng được chế tạo rời và lắp vào nắp xi lanh, giúp tăng tuổi thọ nhờ sử dụng vật liệu tốt Việc lắp ống dẫn hướng trên các chi tiết này không chỉ dễ dàng cho việc bảo trì mà còn giảm thiểu hao mòn cho thân máy và nắp xi lanh Xupáp được lắp vào ống dẫn hướng theo chế độ lắp lỏng, trong đó khe hở giữa ống dẫn hướng và thân xupáp phụ thuộc vào đường kính của thân xupáp.
Hình 2 16 Kết cấu ống dẫn hướng xupap Khe hở giữa thân xupáp nạp và ống dẫn hướng (0,024 ¿ 0,069) (mm).
Chiều dày ống thường vào khoảng 3 (mm) Chiều dài ống dẫn hướng phụ thuộc vào đường kính và chiều dài thân xupáp và có trị số vào khoảng (1,75 ¿ 2,5) X với
X là đường kính nấm xupáp.
Chiều dài ống dẫn hướng đối với xupáp nạp: l n = 2,05.35 = 72 (mm).
TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CHÍNH CỦA CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ VVT-i CỦA ĐỘNG CƠ 1TR-FE
Xác định kích thước tiết diện lưu thông
Tiết diện lưu thông của xupáp ảnh hưởng đến chất lượng nạp thải của động cơ.
Khi thiết kế động cơ, cần tối ưu hóa đường kính xupáp, tuy nhiên, kích thước này bị giới hạn bởi đường kính xilanh Diện tích mặt nấm xupáp hiện nay thường chiếm khoảng 25-40% diện tích đỉnh pittông Đặc biệt, trong động cơ xăng với buồng cháy hình cầu hoặc chõm cầu, xupáp được bố trí nghiêng hai bên, giúp diện tích xupáp đạt đến 35% diện tích đỉnh pittông Đối với động cơ Toyota, việc sử dụng nhiều xupáp cho một xilanh (4 xupáp) cho phép diện tích này tăng lên 60% so với diện tích đỉnh pittông Thêm vào đó, diện tích xupáp nạp thường lớn hơn diện tích xupáp thải khoảng 10-15%, và thường chiếm 15-35% diện tích đỉnh pittông.
Khi xác định tiết diện lưu thông của xupáp, cần dựa vào giả thiết rằng dòng khí lưu thông ổn định khi đi qua họng đế xupáp Điều này có nghĩa là dòng khí nạp hoặc thải sẽ có tốc độ bình quân và tốc độ của pittông sẽ được coi là không đổi.
Căn cứ vào điều kiện lưu động ổn định và liên tục của dòng khí, ta có: v k i f k γ k =v p F p γ p (3 – 1)
Trong đó: v k - Tốc độ trung bình của dòng khí qua họng đế xupáp (m/s). f k - Tiết diện lưu thông của họng đế xupáp (cm 2 ). f k = π d 2 h
4 d h - Đường kính họng đế xupáp i - Số xupáp γ k và γ p - mật độ của dòng khí ở họng xupáp và ở trong xilanh, xem γ k = γ p v p - Tốc độ bình quân của pittông.
Từ công thức (3 – 1) ta có: v k = v p F p f k i = 4 v p F p i π d h 2 (3 – 2)
S – Hành trình pittông S = 86 (mm). n – Số vòng quay trục khuỷu n = 5600 (vòng/phút)
Từ (3 – 2) ta rút ra tốc độ bình quân của dòng khí qua họng đế xupáp. v k = v p D 2 i d h 2 (3 – 3) Đường kính họng đế xupáp: d h = √ v v p k D i 2 (3 – 4)
Tốc độ khí thải thường cao hơn khí nạp từ 20% đến 50%, dẫn đến kích thước xupáp thải nhỏ hơn xupáp nạp Điều này giúp mặt nấm của xupáp thải có độ cứng vững cao, khó bị biến dạng và diện tích chịu nhiệt cũng nhỏ hơn.
Hình 3 1 Tiết diện lưu thông qua xupap Tiết diện lưu thông f kx qua xupáp (tiết diện vành khăn) được xác định theo công thức: f kx = π h '
Thay vào (3 – 5) ta được: f kx = π h.(d h cos α + h.sin α cos 2 α ) (3 – 6)
Hệ số f kx phụ thuộc vào các yếu tố α và h; khi α giảm, tiết diện lưu thông tăng lên Đồng thời, hành trình h càng lớn thì f kx cũng tăng Tuy nhiên, hành trình h bị giới hạn bởi tiết diện của họng đế xupáp, do đó, tiết diện lưu thông không thể vượt quá tiết diện của họng đế xupáp.
4 và hành trình xupáp h max = d h /4
Khi góc α = 45 độ, hành trình xupáp cần lớn hơn để đạt điều kiện tiết diện lưu thông bằng tiết diện họng đế xupáp, cụ thể là h max = 0,31.d h Trong các động cơ hiện đại, hành trình xupáp thường nằm trong khoảng từ 0,18 đến 0,3 lần đường kính họng đế xupáp (h = (0,18 đến 0,3)d h).
* Tiết diện lưu thông qua xupáp nạp:
Theo thực nghiệm và tính toán nhiệt tốc độ của dòng khí nạp được chọn: v kn = (40 ¿ 115) (m/s) chọn v kn = 50 (m/s)
Số xupáp nạp i = 2. d hn = √ 16 50.2 ,05 8,6 2 4 , 45 (mm)
Góc côn của nấm xupáp nạp: α = 45 0
Từ (3 – 6) ta có: f kx = π 6,5.(34,45.cos45 0 + 6,5.sin45 0 cos 2 45 0 ) = 544,08(mm 2 ).
Kiểm nghiệm lại tiết diện lưu thông thực của xupáp nạp theo (3– 2). v kn = v p
85,63 (m/s). v kn < (70 ¿ 90) (m/s) Vậy v kn thỏa mãn điều kiện.
* Tiết diện lưu thông qua xupáp thải:
Theo thực nghiệm và tính toán nhiệt tốc độ của dòng khí thải được chọn: v kt = (1,2 ¿ 1,5).v kn = 1,2.85,63 = 102,7(m/s)
Từ (3 – 4) suy ra đường kính họng thải: d ht = √ 16 102, ,05.86 7.2 2 % (mm)
Góc côn của nấm xupáp thải: α = 45 0
Từ (3 – 6) ta có: f kx = π 6,5.(25.cos45 0 + 6,5.sin45 0 cos 2 45 0 ) = 527 (mm 2 ).
Kiểm nghiệm lại tiết diện lưu thông thực của xupáp thải theo (3 – 2). v kt = v p
88,39 (m/s). v kt < (70 ¿ 90) (m/s) Vậy v kt thỏa mãn điều kiện.
Dựng hình cam
Khi chọn dạng cam, cần phải xét các điểm sau:
Dạng cam cần đảm bảo cơ cấu phối khí với trị số “thời gian – tiết diện” lớn nhất để tối ưu hóa khả năng lưu thông dòng khí Do đó, cam phải mở xupáp nhanh chóng, giữ xupáp ở vị trí mở lớn nhất trong thời gian dài và đóng xupáp một cách nhanh chóng.
Dạng cam cần được thiết kế sao cho giai đoạn mở và đóng xupáp diễn ra với gia tốc và vận tốc tối thiểu, giúp cơ cấu phân phối khí hoạt động êm ái, giảm thiểu va đập và hao mòn.
- Dạng cam phải đơn giản, dễ chế tạo.
Trên cơ sở đảm bảo 3 yêu cầu trên, động cơ ta đang khảo sát dùng loại cam lồi.
* Phương pháp thiết kế cam:
Cam của động cơ Toyota được thiết kế dựa trên dạng cam đã định sẵn, với mặt cam bao gồm các cung tròn, cung parabol và đường thẳng để dễ gia công Quy trình này dựa vào quy luật nâng đã định, thực hiện đạo hàm hai lần theo góc quay của trục cam để xác định quy luật gia tốc, sau đó kiểm tra tính phù hợp với yêu cầu về gia tốc của cơ cấu phân phối khí.
Phương pháp này mang lại lợi ích đáng kể bằng cách đơn giản hóa quy trình gia công trục cam Hơn nữa, thiết kế theo phương pháp này rất phù hợp cho các động cơ hoạt động ở tốc độ thấp và trung bình.
Cam lồi có trị số thời gian và tiết diện lớn nhất, nhưng lại có gia tốc dương lớn nhất, dẫn đến việc cơ cấu phối khí gặp phải va đập mạnh khi hoạt động Trong quá trình đóng mở xupáp, lực quán tính tác động lên mặt cam rất lớn, vì vậy trị số cho phép của gia tốc dương phụ thuộc vào độ cứng của bề mặt tiếp xúc giữa cam và con đội, cũng như độ cứng của trục cam và khả năng chịu tải của ổ trục cam Ngược lại, trị số cho phép của gia tốc âm lại phụ thuộc vào khả năng làm việc của lò xo Để giảm kích thước của lò xo và giảm tải cho lò xo, cần kiểm soát trị số tuyệt đối của gia tốc âm ở mức tối thiểu.
Dạng cam lồi cung tròn có trị số tuyệt đối của gia tốc âm nhỏ nhất, giúp giảm thiểu nhược điểm gia tốc dương quá lớn Để cải thiện vấn đề này, có thể áp dụng các biện pháp công nghệ và thiết kế nhằm tăng cường độ cứng bề mặt và độ cứng vững của trục cam.
* Cam nạp: Góc công tác của cam nạp ϕ n =
Trong đó: ϕ 1 = 52 0 góc mở sớm của xupáp nạp. ϕ 2 = 12 0 Góc đóng muộn của xupáp nạp.
- Đường kính trục cam: d c = 27 (mm).
- Độ nâng lớn nhất của con đội: h max = 6,5 (mm).
- Bán kính cung đỉnh cam nạp: r = 3,5(mm).
- Bán kính lưng cam: R 1 = 17 (mm).
- Cách dựng: Đối với cam nạp ϕ n 2 0
+ Vẽ vòng tròn tâm O bán kính R 1 = 17 (mm), xác định góc AOB = ϕ n
+ Trên đường phân giác của góc AOB ta lấy EC = h nmax (E thuộc vòng tròn bán kính R 1 ).
+ Vẽ vòng tròn đỉnh cam có tâm O 1 bán kính r = 3,5 nằm trên đường phân giác đó Vòng tròn này đi qua điểm C.
+ Vẽ cung tròn có bán kính ρ tiếp tuyến với hai vòng tròn trên có tâm O 2 nằm trên đường kéo dài của OA.
Hình 3 2 Dựng hình cam lồi của cam nạp + Sau khi đã xác định được R 1, h max, ϕ t , và r
1 bán kính cung tiếp tuyến ngoài ρ có thể xác định từ quan hệ tam giác vuông O 1 MO 2 như sau:
Kẻ O 1 M vuông góc với OA Xét tam giác vuông O 1 MO 2 có:
Mặt khác ta có: ( ρ− r ) 2 = ( D sin ϕ 2 t ) 2 + [ ( ρ−R 1 ) +D cos ϕ 2 t ] 2
Từ đó ta xác định ρ : ρ =
Bán kính R của nấm con đội Để con đội không bị kẹt, bán kính R phải lớn hơn OK.
Từ tam giác O 1 MO 2 ta có: sin θ max = O 1 M ρ−r =
Từ cách dựng hình biên dạng trên ta đã xây dựng được biên dạng cam nạp như sau :
* Cam thải: Góc công tác của cam thải ϕ t =
Trong đó β 1 = 44 0 Góc mở sớm của xupáp thải. β 2 = 8 0 Góc đóng muộn của xupáp thải.
- Đường kính trục cam: d c = 27(mm).
- Độ nâng lớn nhất của con đội: h max = 6,5 (mm).
- Bán kính cung đỉnh cam thải: r = 3,5 (mm).
- Bán kính lưng cam: R 1 = 17 (mm).
- Cách dựng: Đối với cam thải ϕ t 6 0
+ Vẽ vòng tròn tâm O bán kính R 1 = 17 (mm), xác định góc AOA’ = ϕ t
+ Trên đường phân giác của góc AOA’ ta lấy EC = h nmax (E thuộc vòng tròn bán kính R 1 ).
+ Vẽ vòng tròn đỉnh cam có tâm O 1 bán kính r = 3,5 nằm trên đường phân giác đó Vòng tròn này đi qua điểm C.
+ Vẽ cung tròn có bán kính ρ tiếp tuyến với hai vòng tròn trên có tâm O 2 nằm trên đường kéo dài của OA.
+ Sau khi đã xác định được R 1, h max, ϕ t , và r
1 bán kính cung tiếp tuyến ngoài ρ có thể xác định từ quan hệ tam giác vuông O 1 MO 2 như sau:
Hình 3 4 Dựng hình cam lồi của cam thải
Kẻ O 1 M vuông góc với OA Xét tam giác vuông O 1 MO 2 có:
Mặt khác ta có: ( ρ− r ) 2 = ( D sin ϕ 2 t ) 2 + [ ( ρ−R 1 ) +D cos ϕ 2 t ] 2
Từ đó ta xác định ρ : ρ =
Bán kính R của nấm con đội Để con đội không bị kẹt, bán kính R phải lớn hơn OK.
Từ tam giác O 1 MO 2 ta có: sin θ max = OM ρ −r =
Hình 3 5 Cam thải Động học con đội đáy bằng
Con đội đáy bằng chỉ hoạt động với cam lồi, và nghiên cứu động học của nó diễn ra trên hai cung AB với bán kính ρ và BC với bán kính r, mỗi giai đoạn có quy luật riêng Trong giai đoạn 1 (cung AB), chúng ta phân tích chuyển vị, vận tốc và gia tốc của con đội theo góc quay của trục cam Giả sử trục cam quay một góc θ, thì chuyển vị con đội được xác định là h_θ, trong khi vận tốc v_θ và gia tốc j_θ sẽ được tính toán dựa trên các yếu tố này.
Hình 3 6 Động học con đội đáy bằng giai đoạn 1-2 Đặt i =
OA là tỷ số truyền của cò mổ i =
35 = 1,42 Vậy chuyển vị của đuôi xupáp: h = h max i
* Động học của đuôi xupáp trong giai đoạn I:(cung AB): a) Chuyển vị của đuôi xupáp:
Khi con đội trượt đến một vị trí tương ứng với cam quay một góc θ, cò mổ tiếp xúc với cam tại điểm M Chuyển vị của con đội được xác định theo công thức h θ = (ρ - R1) (1 - cos θ), trong đó ρE = 62 mm và R1 = 17 mm.
Khi θ=θ max $ 0 ta có: h θ ( ,62.( 1−cos24 0 ) i= 2,47.i (mm). b) Tốc độ của đuôi xupáp:
Lấy đạo hàm 2 vế của phương trình (3 – 7) theo thời gian ta có công thức tính vận tốc của đuôi xupáp. v θ = dh θ dt = dh θ dθ dθ dt =ω c dh θ dθ ω c = dh θ dt = π n c
Khi θ=θ max $ 0 thì v θ )3 (45 ,62−17 ) 10 −3 sin 24 0 i = 4,84 (m/s). c) Gia tốc của đuôi xupáp:
Lấy đạo hàm 2 vế của phương trình (3 – 10) theo thời gian ta được công thức tính gia tốc của đuôi xupáp: j θ = dv dt θ = dv dθ θ dθ dt = c dv θ dθ
Do đó: j θ = c 2 ( - R 1 ).cos θ i j θ = 293 2 (45,62 – 17).10 -3 cos θ i = 2456,9.cos θ i (m/s 2 ) (3 – 11) Khi cò mổ tiếp xúc tại điểm A của cam thì θ = 0 0 Khi cò mổ tiếp xúc tại điểm B của cam thì θ = θ max
Nhận xét: Khi θ = 0 0 thì gia tốc đại cực đại: j ϑ max =ω c 2 ( ρ−R 1 ))3 2 ( 45 , 62−17 ).10 −3 i$56 , 9 (m/s 2 ).
* Động học của đuôi xupáp trong giai đoạn II (cung BC): a) Chuyển vị của đuôi xupáp:
Khi cò mổ di chuyển đến điểm M trên cung BC với góc quay γ, chuyển vị của đuôi xupáp được xác định bằng công thức h γ = ab = aO − R1 = r + D Cos γ − R1.
⇒ h γ =r +D cos γ− R 1 (3– 12) h γ =( 3,5+20 cos γ−17 ) i=( 20cos γ −13 , 5 ) i (3 – 13) b) Vận tốc của đuôi xupáp:
Lấy đạo hàm 2 vế phương trình (3 – 13) theo thời gian, ta có công thức tính vận tốc đuôi xupáp như sau: v γ = dh γ dt = dh γ dγ dγ dt
Tại điểm C có γ = 0 và tại điểm B có γ = γ max như vậy góc γ tính ngược lại với chiều quay của trục cam nên: dh γ dt =− ω c
⇒ v γ =(−ω c D sin γ ).i (3 – 14) v γ =(−293.20.sin γ 10 −3 ).i =−5 ,860.sin γ i (3 – 15) c) Gia tốc của đuôi xupáp:
Để tính gia tốc của đuôi xupáp, ta lấy đạo hàm hai vế của phương trình (3 – 15) theo thời gian, từ đó có công thức: j γ = dv γ / dt dv γ / dγ dγ / dt = −ω c dv γ / dt Kết quả cuối cùng được tính là j γ = (−ω c^2 D cos γ) i = −(293^2 20 cos γ 10^−3) i = −1716,9 cos γ i.
Vậy ta được động học của đuôi xupáp trong giai đoạn I và II của xupáp nạp:
* Chuyển vị của đuôi xupáp: h x = ¿ { 28 ,62 (1− cosα k ) i ¿¿¿¿
* Vận tốc của đuôi xupáp: v x = ¿ { 8 , 38.sin α k i ¿¿¿¿
* Gia tốc của đuôi xupáp: j x = ¿ { 2456 , 9.cos α k i ¿¿¿¿
Trong đó α k là góc quay của trục cam. θ= 0÷24 0 với θ là góc quay của trục cam trong giai đoạn I. γ= γ max ÷0 với γ max = ϕ 2 −θ max = 122 2 −24 7 0
Tính kiểm nghiệm các chi tiết trong cơ cấu phân phối khí
Để xác định lực quán tính của cơ cấu phân phối khí, cần quy dẫn toàn bộ khối lượng các chi tiết máy về đường tâm xupáp Lực quán tính tác dụng lên cơ cấu phân phối khí có thể được tính toán theo một công thức cụ thể.
- m ok - khối lượng của cơ cấu phối khí quy dẫn về đường tâm xupáp.
Trong động cơ 1TR-FE, cơ cấu phân phối khí được thiết kế với hệ thống dẫn động trực tiếp cho xupáp Do đó, khối lượng m ok được tính bằng tổng khối lượng của xupáp, cò mổ, móng hãm, cùng với khối lượng quy dẫn của lò xo.
Do khối lượng quy dẫn của lò xo m olx =
Nên ta có: m ok = m xp + m đl + m cm + m mh +
Khối lượng của các thành phần trong hệ thống xupáp được xác định như sau: khối lượng xupáp (m xp) là 95,5 g, khối lượng đĩa lò xo (m đl) là 20 g, khối lượng móng hãm (m mh) là 8 g, khối lượng lò xo xupáp (m lx) là 55 g, và khối lượng cò mổ (m cm) được tính bằng g.
Trong cơ cấu phân phối khí dẫn động trực tiếp, khối lượng của cơ cấu quy dẫn về đường tâm xupáp tương đương với khối lượng của cơ cấu quy dẫn về đường tâm xupáp Do đó, ta có: m ot = m ok = 264,5 g = 0,2645 kg.
Trong đó: m ot là khối lượng của cơ cấu phối khí quy dẫn về đường tâm xupáp.
Lực quán tính tác dụng lên cơ cấu phối khí quy dẫn về đường tâm xupáp được xác định theo công thức (7 – 19).
Tính toán lò xo xupap
Lò xo xupáp đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo xupáp được đóng kín trên đế và hoạt động theo quy luật của cam Để thực hiện điều này, lực của lò xo cần phải lớn hơn lực quán tính P jk (lực quán tính âm khi γ=0) trong mọi chế độ tốc độ.
Trong đó: k – Hệ số an toàn.
Xupáp thải cần được đóng kín trong quá trình nạp, đặc biệt là với động cơ xăng khi chạy không tải, vì áp suất cuối quá trình nạp (p a) có thể giảm xuống 0,015 MN/m², trong khi áp suất trên đường thải (p r) dao động từ 0,102 đến 0,11 MN/m², cao hơn áp suất khí trời Điều này dẫn đến độ chênh áp Δp = p r – p a có thể đạt tới 0,09 MN/m² Nếu lò xo yếu, xupáp thải có thể bị hút mở ra dưới tác dụng của Δp, do đó, lực nén ban đầu của lò xo (p lxo) phải lớn hơn lực khí thể tác động lên xupáp thải.
Với d ht : Đường kính họng đế xupáp thải.
* Xây dựng đồ thị xác định đường đặc tính lò xo:
Từ các công thức (3 – 18), (3 – 19) và (3 – 20) bằng cách cho α k biến thiên từ (0 ¿ ϕ
2 ) ta lập được bảng các giá trị của h; P jk và P lx theo α k :
Đầu tiên, chúng ta cần vẽ đường cong biểu diễn hành trình nâng của xupáp h k = f(α k) Tiếp theo, vẽ đường biểu diễn lực quán tính P jk = f’(α k) Sau khi chọn hệ số k, tiến hành vẽ đường biểu diễn lực tác dụng lên lò xo P lx = kP jk Cuối cùng, bên phải của đồ thị, hãy vẽ đường cong biểu diễn đường đặc tính của lò xo, trong đó tung độ biểu thị độ biến dạng và hoành độ biểu thị lực lò xo.
Ta thực hiện cách dựng như sau:
Từ các điểm A’, B’, C’ trên đồ thị h k = f( k), chúng ta kẻ các đường song song với tung độ cắt đường biểu diễn P lx tại các điểm C, B, C để xác định lực lò xo Sau đó, giá trị các lực này được đặt trên các đường song song với hoành độ qua các điểm A’’, B’’, C’’, và nối các điểm này bằng một đường thẳng kéo dài cắt tung độ của hệ trục fOP lx tại O, từ đó xác định tính biến dạng Qua các bước này, chúng ta thu được đường đặc tính lò xo như hình 3-19, và độ cứng C của lò xo được tính theo công thức cụ thể.
P lx max −P lx min h max
(3- 21) Trong đó : C - độ cứng của lò xo
P lxmax -lực lò xo ứng với độ biến dạng lớn nhất fmax của lò xo
P lxo -lực lúc xupáp đóng kín hmax -độ mở cực đại của lò xo
Từ đặc tính đàn hồi của lò xo (hình 7- 18) ta tìm đượcP lxo = 356,3[N] h max = 9,23 10 -3 [m]
Kiểm nghiệm độ bền lò xo xupáp:
Giả thiết lực lò xo P lx tác dụng trên phương đường tâm của lò xo, mômen xoắn của lò xo bằng:
2 Trong đó : D tb -Là đường kính trung bình của lò xo (D tb mm) Ứng suất xoắn :
Trong đó : W x -Momen chống xoắn của tiết diện dây cuốn lò xo
16 Ở đây: d- là đường kính của lò xo ( d = 4 mm)
Do ứng suất phân bố không đồng đều trên tiết diện dây cuốn, ứng suất lớn nhất xuất hiện tại điểm gần đường tâm lò xo xa nhất Lực P lx cũng gây ra ứng suất cắt, vì vậy khi tính toán ứng suất lò xo, thường sử dụng hệ số hiệu đính để điều chỉnh ứng suất xoắn Do đó, ứng suất xoắn thực tế được xác định bằng công thức hiệu chỉnh.
Trong đó :χ -hệ số hiệu đính, biến thiên theo tỷ lệ
5+ 0,5 5−0 , 75 = 1,29 Thế các thông số trên vào phương trình (3- 21) ta có: x
3, 14 ( 4.10 −3 ) 3 = 543,36 [MN/m 2 ] n x T3 , 36 MN / m 2 10Vậy lò xo thỏa mãn điều kiện không cộng hưởng.
Hình 3 7 Đồ thị đặc tính lò xo
NHỮNG HƯ HỎNG VÀ PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA SỬA CHỮA 49 4.1 Thiết Kiểm tra các chi tiết liên quan đến xupap
Phân tích và chọn phương án bố trí hệ thống truyền lực
-Dùng panme có đồng hồ, đo đường kính trong của bạc dẫn hướng xupáp như (Hình 4-1).
Hình 4 2 -Dùng panme, đo đường kính của thân xupáp (Hình 4.2) -Lấy đường kính trong bạc dẫn hướng xupáp trừ đi đường kính thân xupáp.
-Nếu khe hở lớn hơn giá trị cực đại là 0.1 (mm), thì thay xupáp và bạc dẫn hướng.
Làm sạch các xupap
-Sử dụng chổi thép, chải sạch xupáp (Hình 4.3)
Thay bạc dẫn hướng xupap
-Gia nhiệt nắp qui lát từ từ đến 80 – 100 0 C (Hình 4.4)
-Dùng SST và búa, đóng bạc dẫn hướng xupáp ra (Hình 4.5)
Sử dụng panme có đồng hồ để đo đường kính lỗ lắp bạc trên nắp qui lát (Hình 4.6) Nếu đường kính lỗ lắp bạc lớn hơn tiêu chuẩn, cần gia công lại đường kính và lắp một bạc lên cốt hoặc thay thế nắp qui lát.
Kiểm tra và mài xupap
- Chỉ mài xupáp sao cho hết muội than và các vết rỗ.
- Kiểm tra góc mặt xupáp Hai thao tác này như (hình 4-7)
-Kiểm tra chiều dày mép nấm xupáp Nếu chiều dày mép nấm xupáp nhỏ hơn giá trị cực tiểu, thì thay xupáp (Hình4-8).
+ Xupáp nạp: 1,62(mm) + Xupáp thải: 1,82(mm).
- Kiểm tra chiều dài xupáp Nếu chiều dài xupáp nhỏ hơn chiều dài nhỏ nhất, thay xupáp (Hình 4-9).
+ Xupáp nạp: 106,94(mm) + Xupáp thải: 106,46(mm).
Kiểm tra và làm sạch đế xupap
- Dùng lưỡi cắt các bít 450, gia công lại đế xupáp, chỉ lấy một lượng kim loại làm sạch đế (Hình 4.10)
Để kiểm tra vị trí tiếp xúc của xupáp, bạn cần bôi một lớp mỏng PRUSSAIAN BLUE hoặc chì trắng lên bề mặt xupáp Sau đó, lắp xupáp vào chỗ đã chuẩn bị và ấn nhẹ xupáp xuống đế mà không xoay xupáp.
* Nếu màu xanh xuất hiện đều xung quanh đế xupáp thì đế xupáp là đồng tâm, nếu không thay đế xupáp.
* Kiểm tra phần tiếp xúc ở giữa mặt xupáp với Hình 4.11 chiều rộng như sau: 1,0 -1,4 mm Nếu không sữa lại đế xupáp.
- Dùng dụng cụ rà xupáp và bột rà, rà tay lại đế xupáp và xupáp bằng bột rà.
-Lau sạch xupáp và đế xupáp sau khi rà.
Kiểm tra lò xo xupap
-Sử dụng ê ke bằng thép, đo độ vuông góc của lò xo xupáp (Hình 4.12) -Nếu độ lệch lớn hơn giá trị lớn nhất là 1,5(mm) hay 2 0 , thay lò xo
- Sử dụng thước cặp, đo chiều dài tự do của lò xo (Hình 4.13)
- Nếu chiều dài lò xo không đúng tiêu chuẩn là 48,89(mm), thay lò xo.
Kiểm tra trục cam
4.2.1 Kiểm tra khe hở dầu trục cam
- Đặt trục cam thải lên nắp máy.
-Đặt một miếng đo nhựa dọc theo mỗi cổ trục (Hình 4.14).
-Đặt các nắp bạc lên từng cổ trục đối với mũi tên chỉ về phía trước.
-Xiết mỗi bulông nắp bạc từng chút một theo thứ tự ra như (Hình 4.15.)
- Đo miếng đo nhựa ở điểm rộng nhất.
Nếu khe hở dầu lớn hơn giá trị cực đại là 0,08(mm), thay trục cam Nếu cần thay cả bộ nắp bạc và nắp máy.
-Lấy hết các miếng đo nhựa -Đo khe hở dầu trục cam nạp giống như khi đo trục cam thải như (Hình 4.16).
4.2.2 Kiểm tra trục cam và vấu cam
*Kiểm tra độ đảo trục cam.
-Đặt trục cam lên hai khối V Sử dụng đồng hồ so, đo độ đảo tại cổ trục giữa (Hình 4.17).
Nếu thấy độ đảo vượt quá giới hạn là 0,03(mm) thì phải thay trục cam.
-Dùng thước panme, đo chiều cao vấu cam như (Hình 4-18) Nếu vấu cam bị mòn qúa thì phải thay trục cam.
+ Chiều cao vấu cam nạp nhỏ nhất: 42,71(mm) + Chiều cao vấu cam nạp nhỏ nhất: 42,54(mm).
Kiểm tra xích dẫn động trục cam
- Kéo xích với một lực 15 kgf như được chỉ ra trên hình vẽ (Hình 4.19) Dùng một thước kẹp, đo chiều dài của 16 mắt xích.
Nếu độ dãn dài của xích lớn hơn giá trị lớn nhất, hãy thay xích Độ giãn xích lớn nhất:147.5 mm (5.807 in.)
Kiểm tra một số chi tiết ở cơ cấu phân phối khí thông mình VVT-i
4.4.1 Kiểm tra các cò mổ ở cơ cấu phân phối khí
Quá trình kiểm tra được mô tả trên hình 4.20.
Hình 4 3 Quy trình kiểm tra cò mổ 1- Nắp cắm dây; 2- Dây cắm; 3- Kẹp dây cắm; 4- Cò mổ Các bước tiến hành:
Đầu tiên, cài xylanh số một ở điểm chết trên Tiếp theo, tháo nắp dây cắm và dây cắm ra Sau đó, tháo kẹp cắm và nắp máy Cuối cùng, tháo trục cam ra để kiểm tra cò mổ đã được lắp đặt đúng hay chưa, như hình 4.21.
4.4.2 Kiểm tra bánh răng phân phối khí trục cam
- Đo khoảng cách giữa đỉnh răng mòn nhất và bắt đầu vùng mòn dưới đỉnh răng như (Hình 4.22).
-Nếu khoảng cách nhỏ hơn giá trị nhỏ nhất, hãy thay bánh răng phối khí Khoảng cách nhỏ nhất: 1,0 mm (0.039 in.)
4.4.3 Kiểm tra bộ răng xích
- Dịch chuyển tấm hãm lên trên để nhả khoá Đẩy píttông và kiểm tra rằng nó chuyển động êm như (Hình 4.23).
4.4.4 Kiểm tra các piston thuỷ lực
-Đặt bộ điều chỉnh khe hở xupáp vào khay chứa đầy dầu động cơ.(Hình 7.24).
-Cắm đầu của SST vào píttông của bộ điều chỉnh khe hở xupáp và dùng đầu này ta ấn viên bi một chiều xuống vào bên trong píttông.
-Kiểm tra sự dịch chuyển của píttông và xả khí:
Píttông chuyển động lên và xuống -Sau khi xả khí, Sau đó, thử đẩy nhanh và chắc píttông bằng một ngón tay: Píttông khó dịch chuyển.
Nếu kết quả không như tiêu chuẩn, hãy thay thế