Chuyên đề tìm hiểu cơ cấu phân phối khí của động cơ đốt trong ô tô

Ngày nay với sự phát triển không ngừng của lĩnh vực cơ khí trong đó có ngành kĩ thuật ô tô đưa đến sự hoàn thiện về ô tô trên phương diện động cơ, tính hiệu suất, tính tiết kiệm nhiên li

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ

CHUYÊN ĐỀ: TÌM HIỂU CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG Ô

TÔ

Giảng viên hướng dẫn: T.S Trần Đức Hiếu

Họ và tên: Nguyễn Văn Hoàng

Mã sinh viên: 0250466

Lớp: 66KOC1

Hà Nội ngày 27 tháng 11 năm 2023

LỜI NÓI ĐẦU

Những năm gần đầy, nền kinh tế Việt Nam đang phát triển mạnh Bên cạnh đó

kỹ thuật của nước ta cũng từng bước tiến bộ Trong đó phải nói đến ngành động lực và sản xuất ô tô, chúng ta đã liên doanh với khá nhiều hãng ô tô nổi tiếng trên thế giới cùng sản xuất và lắp ráp ô tô Để góp phần nâng cao trình độ và kỹ thuật, đội ngũ kỹ sư của ta phải tự nghiên cứu và chế tạo, đó là yêu cầu cấp thiết

Có như vậy ngành ôtô của ta mới đuổi kịp với đà phát triển của các quốc gia trong khu vực và trên thế giới

Sau khi được học môn động cơ đốt trong cùng một số môn cơ sở nghành khác (sức bền vật liệu, cơ học máy ), sinh viên được giao nhiệm vụ làm chuyên đề động cơ đốt trong Đây là một học phần quan trọng trong chương trình đào tạo của ngành kĩ thuật ô tô, nhằm tạo điều kiện cho sinh viên tổng hợp, vận dụng các kiến thức đã học vào quá trình làm chuyên đề

Trong chuyên đề này, em được giao nhiệm vụ tìm hiểu trục cam của động cơ đốt trong Trong suốt quá trình thực hiện, em đã cố gắng tìm hiểu, nghiên cứu các tài liệu bên ngoài cùng với vận dụng những kiến thức đã học tại lớp, làm việc một cách nghiêm túc với mong muốn hoàn thành một cách tốt nhất Tuy nhiên, quá trình thực hiện không tránh khỏi những thiếu sót Em mong các thầy chỉ dẫn để đồ án được hoàn thiện hơn

Cuối cùng, em xin bày tỏ sự cảm ơn đến các thầy trong khoa Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Trần Đức Hiếu đã quan tâm, cung cấp các tài liệu, nhiệt tình hướng dẫn trong quá trình làm chuyên đề

Hà Nội, ngày 27 tháng 11 năm 2023.

Sinh viên thực hiện Nguyễn Văn Hoàng

Đặt vấn đề: Tại sao lại lựa chọn trục cam làm đề tài để tìm

hiểu.

Ngày nay với sự phát triển không ngừng của lĩnh vực cơ khí trong đó có ngành

kĩ thuật ô tô đưa đến sự hoàn thiện về ô tô trên phương diện động cơ, tính hiệu suất, tính tiết kiệm nhiên liệu…

Những yếu tố trên do chính trục cam quyết định Vì vậy, ta sẽ tìm hiểu về vấn đề này qua chuyên đề sau

1 Đối tượng nghiên cứu

Trục cam

2 Phạm vi

Trục cam trong động cơ đốt trong ô tô

3 Mục tiêu

Nắm rõ cấu tạo, chức năng và sửa chữa trục cam trong động cơ ô tô

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 2

MỤC LỤC 4

1 Giới thiệu tổng quan về trục cam 5

Định nghĩa và vai trò của trục cam trong hệ thống động cơ ô tô 5

Sự cần thiết của trục cam trong việc điều chỉnh mở đóng của van xupap 5

2 Lịch sử phát triển và tiến hóa của trục cam trong ngành công nghiệp ô tô 5

3 Cấu tạo, vị trí và nguyên lý hoạt động của trục cam 5

Cấu tạo: 5

Vị trí của trục cam: 6

Nguyên lý hoạt động của trục cam: 7

4 Vật liệu chế tạo và các loại trục cam phổ biến 8

5 Các loại trục cam phổ biến 8

Single Overhead Cam (SOHC): 8

Double Overhead Cam (DOHC): 9

6 Mối quan hệ giữa trục cam và trục khuỷu 9

7 Công Nghệ Hiện Đại trong Trục Cam Ô Tô 9

Variable Valve Timing (VVT): 10

Variable Valve Lift (VVL): 11

8 Thách Thức và Giải Pháp 12

Thách thức trong thiết kế và quản lý: 12

Giải pháp để cải thiện độ bền và hiệu suất 13

9 Tiềm Năng Phát Triển Tương Lai 14

Tương lai của trục cam trong ô tô: 14

Nghiên cứu và phát triển mới liên quan đến trục cam trong ngữ cảnh ô tô điện 15

10 Kết luận 15

11 Tài liệu tham khảo 16

1 Giới thiệu tổng quan về trục cam

Định nghĩa và vai trò của trục cam trong hệ thống động cơ ô tô.

cơ đốt trong, có chức năng truyền năng lượng từ phần tử này sang phần tử khác

trong xi-lanh

Sự cần thiết của trục cam trong việc điều chỉnh mở đóng của van xupap.

Trục cam gắn liền với nhiệm vụ mở xupap để nạp và xả khí cho động cơ Với các cấu tạo và kết cấu đặt biệt linh hoạt khiến nó có thể làm việc với một cường

độ cao trong môi trường khắc nghiệt mà vẫn đóng mở các xupap chính xác hoàn hảo

2 Lịch sử phát triển và tiến hóa của trục cam trong ngành công nghiệp ô tô.

Trục cam được mô tả lần đầu tiên ở Thổ Nhĩ Kỳ (Diyarbakır) bởi Al-Jazari vào năm 1206 Ông sử dụng nó như một phần của máy tự động, máy bơm nước và đồng hồ nước như tháp đồng hồ Trục cam sau đó xuất hiện trong các cơ cấu ở châu Âu từ thế kỷ 14

Trong số những chiếc xe đầu tiên sử dụng động cơ với trục cam trên đỉnh đơn là Maudslay được thiết kế bởi Alexander Craig và được giới thiệu vào năm 1902 và

Ô tô Marr được thiết kế bởi người gốc Michigan Walter Lorenzo Marr vào năm 1903

3 Cấu tạo, vị trí và nguyên lý hoạt động của trục cam

Cấu tạo:

Hình 1 Cấu tạo trục cam

 Trục truyền động: Hay còn gọi là trục lái, là bộ phận cung cấp chuyển động cho toàn bộ cụm máy Trục truyền động có thể hoạt động độc lập, nhưng hầu hết sẽ được kết nối với trục khuỷu bằng dây đai

tải mỏi cao khi động cơ hoạt động

thất do ma sát trong quá trình hoạt động Một đầu vòng bi sẽ được cấp dầu

để thay dầu trục cam liên tục

thùy sẽ phụ thuộc vào tốc độ động cơ hiện tại

răng thời gian Tấm trên cùng được gắn trên nắp trước để theo dõi chính xác các khe hở chiều

đốt trong Xích chuỗi hoạt động với đai định thời và đĩa xích trục khuỷu

để duy trì thời gian giữa trục cam và trục khuỷu

Vị trí của trục cam:

Cảm biến vị trí của bộ phận này thay đổi tùy theo từng loại xe Cảm biến có thể được đặt trên nắp hoặc ở bên cạnh Trong các động cơ xăng hiện đại, các vị trí phổ biến là trên đỉnh của xi lanh và trong nắp hộp trục cam

Tùy thuộc vào vị trí của trục cam có thể vận hành van trực tiếp hoặc thông qua liên kết giữa thanh lắc và cần đẩy Cơ chế vận hành này giúp người sử dụng vận hành dễ dàng hơn và ít hỏng hóc hơn, nhưng chỉ khi trục cam nằm trên cùng của các xi lanh

Hình 2 Tổng quan trục cam trong động cơ

Tùy thuộc vào vị trí của trục cam có thể vận hành van trực tiếp hoặc thông qua liên kết giữa thanh lắc và cần đẩy

Nguyên lý hoạt động của trục cam:

Nếu có một khoảng cách giữa trục cam và trục khuỷu, một bộ truyền động bánh răng được sử dụng để dẫn động trục Trong trường hợp này, chiều quay của trục cam có xu hướng ngược với chiều quay của trục khuỷu

Phương pháp này có nhiều ưu điểm: cấu tạo đơn giản, hiệu quả rất cao, độ bền

và tuổi thọ lâu dài, nhưng có nhiều hạn chế về cách bố trí truyền động và rất ồn

Khi khoảng cách giữa trục cam và trục khuỷu lớn, trục cam được truyền động trên ô tô thông qua bộ truyền động xích Sau đó đĩa xích sẽ truyền lực từ trục khuỷu sang trục cam Cả trục cam và trục khuỷu đều quay cùng chiều Nếu sử dụng phương pháp này, bạn cần một bộ căng xích để tránh bị lỏng, vì khi xích bị lỏng, năng lượng không được truyền từ trục khuỷu sang trục cam

Ưu điểm của loại truyền động trục cam này là nhỏ gọn, dễ dẫn động trên những khoảng cách trục lớn Nhược điểm của loại truyền động này là dễ bị rung và phát

ra nhiều tiếng ồn khi thay đổi tải trọng

Cách thức truyền động của trục cam bằng dây đai rất giống với cách truyền động xích Tuy nhiên, sẽ sử dụng dây curoa thay cho dây xích

Cơ cấu truyền động này phổ biến hơn với trục cam trên cao, trong đó cần có bộ căng để đảm bảo dây có độ căng khi sử dụng

Ưu điểm của hệ truyền động này là khá êm, không cần bôi trơn và không cần điều chỉnh lực căng Ngoài ra, chi phí mua một dây curoa thấp hơn nhiều so với chi phí của một bánh răng hoặc dây xích Tuy nhiên, độ bền và tuổi thọ ngắn hơn

Trục cam có cấu tạo linh hoạt và có thể làm việc với cường độ cao trong môi trường khắc nghiệt đảm bảo đóng mở xupap chính xác Nhờ đó, khả năng vận hành của xe được cải thiện, mang đến khả năng tiết kiệm nhiên liệu và trải

nghiệm tốt nhất cho người dùng

4 Vật liệu chế tạo và các loại trục cam phổ biến

Bộ phận này thường được làm bằng hai vật liệu chính:

chất lượng cao hoặc để sản xuất đơn chiếc Quá trình sản xuất thép phôi thanh sẽ tốn nhiều thời gian và chi phí hơn Nhưng bù lại các sản phẩm được sản xuất ra đều có chất lượng tuyệt vời

luyện tạo ra độ cứng tốt nên trục cam được làm bằng gang trắng có khả năng chống mài mòn cao Các yếu tố khác được thêm vào gang để phù hợp với các ứng dụng khác nhau

5 Các loại trục cam phổ biến

Single Overhead Cam (SOHC):

Phổ Biến Trong Động Cơ Phổ Thông: Các động cơ phổ thông và một số động cơ hiệu suất trung bình thường sử dụng trục cam đơn để đơn giản hóa cấu trúc và giảm chi phí

Chi phí sản xuất thấp: SOHC thường ít phức tạp hơn về cơ cấu so với DOHC, giảm chi phí sản xuất và bảo trì

SOHC (Single OverHead Camshaft) nghĩa là động cơ chỉ có duy nhất một trục cam bố trí ở nắp máy, phía trên các van Trục cam này dẫn động đóng mở trực tiếp cả xu páp nạp lẫn xả thông qua con đội hoặc cò mổ tùy theo các hình dạng cam khác nhau Động cơ SOHC thông thường chỉ được bố trí 2 van cho mỗi xi lanh, vẫn có thể dùng 3 van hoặc 4 van nhưng kết cấu truyền động sẽ rất phức tạp nên hiếm khi được áp dụng

Hình 3 Cấu tạo cam SOHC

Double Overhead Cam (DOHC):

Hiệu suất cao: Động cơ DOHC thường có khả năng chuyển động van linh hoạt hơn, giúp tối ưu hóa luồng không khí và nhiên liệu, làm tăng hiệu suất động cơ Phổ biến trong động cơ hiệu suất cao: Được sử dụng phổ biến trong các loại động cơ có mục tiêu là hiệu suất và công suất cao

DOHC (Double OverHead Camshaft) là động cơ sử dụng 2 trục cam bố trí trên nắp máy, mỗi trục dẫn động một bên xu páp hút hoặc xả riêng biệt Mục đích chính của việc sử dụng động cơ DOHC nhằm tăng số lượng van trên mỗi xi lanh

do loại động cơ này có thể bố trí 4 van trên mỗi xi lanh tương đối đơn giản, nhờ

đó dễ dàng đạt tốc độ vòng quay lớn, đồng thời cho phép đặt xu páp ở các vị trí tối ưu giúp tăng khả năng vận hành

Hình 4 Cấu tạo cam DOHC

6 Mối quan hệ giữa trục cam và trục khuỷu

Mối quan hệ giữa sự quay của trục cam và vòng quay của trục khuỷu có tầm quan trọng rất lớn Vì các van kiểm soát lưu lượng của hỗn hợp khí / nhiên liệu nạp vào và khí thải, chúng phải được mở và đóng vào thời điểm thích hợp trong hành trình của piston Vì lý do này, trục cam được kết nối trực tiếp với trục khuỷu, thông qua cơ cấu bánh răng hoặc gián tiếp thông qua một đai hoặc xích gọi là đai định thời hoặc xích đinh thời (sên cam) Dẫn động trực tiếp sử dụng bánh răng là bất thường do chi phí Mô-men xoắn đảo chiều thường xuyên gây ra bởi độ dốc của cam có xu hướng gây ra tiếng kêu bánh răng, đối với một bộ truyền bánh răng bằng kim loại đòi hỏi thêm chi phí cho một bộ giảm xóc cam

7 Công Nghệ Hiện Đại trong Trục Cam Ô Tô

Chi tiết về cách công nghệ này tối ưu hóa hiệu suất và tiêu thụ nhiên liệu

Variable Valve Timing (VVT): Thông thường, thời điểm phối khí được cố định,

những hệ thống VVT-i sử dụng áp suất thủy lực để xoay trục cam nạp và làm thay đổi thời điểm phối khí Điều này có thể làm tăng công suất, cải thiện tính kinh tế nhiên liệu và giảm khí xả ô nhiễm

Như trong hình minh họa, hệ thống này được thiết kế để điều khiển thời điểm phối khí bằng cách xoay trục cam trong phạm vi 40 độ so với góc quay của trục khuỷu để đạt được thời điểm phối khí tối ưu cho các điều kiện hoạt động của động cơ dựa trên tín hiệu từ các cảm biến Thời điểm phối khí được điều khiển như hình sau:

Hình 5 Sơ đồ hệ thống VVT-I

phối khí trục cam nạp được làm trễ lại và độ trùng lặp xupap giảm đi để giảm khí xả chạy ngược lại phía nạp Điều này làm ổn định chế độ không tải và cải thiện tính kinh tế nhiên liệu và tính khởi động

 Khi tải trung bình, hay khi tốc độ thấp và trung bình ở tải nặng: Thời điểm phối khí được làm sớm lên và độ trùng lặp xupap tăng lên để tăng EGR nội bộ và giảm mất mát do bơm Điều này cải thiện ô nhiễm khí xả và tính kinh tế nhiên liệu Ngoài ra, cùng lúc đó thời điểm đóng xupap nạp được đẩy sớm lên để giảm hiện tượng quay ngược khí nạp lại đường nạp và cải thiện hiệu quả nạp

trùng lặp xupap tăng lên để tăng EGR nội bộ và giảm mất mát do bơm Điều này cải thiện ô nhiễm khí xả và tính kinh tế nhiên liệu Ngoài ra, cùng lúc đó thời điểm đóng xupap nạp được đẩy sớm lên để giảm hiện tượng quay ngược khí nạp lại đường nạp và cải thiện hiệu quả nạp

Hình 6 Biểu đồ thời điểm phối khí

Ngoài ra, điều khiển phản hồi được sử dụng để giữ thời điểm phối khí xupap nạp thực tế ở đúng thời điểm tính toán bằng cảm biến vị trí trục cam

Variable Valve Lift (VVL): Trong khi động cơ thông thường kiểm soát lượng khí

nạp bằng van tiết lưu, thì động cơ được trang bị VVEL thực hiện điều này trực tiếp tại van nạp, liên tục kiểm soát các sự kiện van và thang máy của chúng CVTC và VVEL cùng nhau, kiểm soát các giai đoạn van và các sự kiện van của

nó, cho phép kiểm soát tự do thời gian và lực nâng của van Điều này dẫn đến luồng không khí đến xi lanh hiệu quả hơn, cải thiện đáng kể khả năng phản hồi, tối ưu hóa sự cân bằng giữa công suất và hiệu suất môi trường Nó hoạt động tương tự như hệ thống Valvetronic của BMW nhưng với điều khiển

desmodromic của cam đầu ra, cho phép VVEL hoạt động ở tốc độ động cơ cao hơn (RPM)

thực hiện ở bướm ga thì đối với động cơ VVEL, việc điều chỉnh lưu lượng khí nạp đi vào trong xi lanh được thực hiện bằng cách điều khiển trực tiếp đóng mở xupap nạp, kết hợp hệ thống VVEL với hệ thống điều khiển thời điểm đóng mở xupap C- CTV (continuos valve timing control) để điều chỉnh pha phân phối khí, giúp nâng cao hiệu quả của quá trình nạp và xả, đem lại những hiệu quả nổi bật so với động cơ không có hệ thống VVEL

8 Thách Thức và Giải Pháp

Thách thức trong thiết kế và quản lý:

Nêu rõ những khía cạnh khó khăn trong phát triển và duy trì trục cam

Mài mòn:

phận khác như van xupap và bạc đạn

tiến để gia tăng độ bền và tuổi thọ

Điều kiện môi trường:

phải chịu sự mở đóng nhanh chóng của van xupap

bảo sự ổn định dưới điều kiện khắc nghiệt

Độ chính xác cao:

độ chính xác cao

bảo mọi chi tiết đều đạt đến các tiêu chuẩn chất lượng

Công nghệ nâng cao:

 Sự phát triển của công nghệ đòi hỏi sự liên tục nâng cấp và tích hợp các tính năng mới vào trục cam, như công nghệ điều khiển van xupap biến đổi thời gian (VVT)

trình phát triển

Động cơ hiệu suất cao:

giữa hiệu suất và độ bền

ứng yêu cầu khắt khe này

Chi phí sản xuất:

sản xuất trục cam

bảo chất lượng và hiệu suất

Mối liên kết với công nghệ khác:

thống điều khiển động cơ và hệ thống xả

lĩnh vực chuyên ngành

Giải pháp để cải thiện độ bền và hiệu suất.

Tối ưu hóa thiết kế hệ thống xả để giảm áp lực và stress trên trục cam

Đảm bảo luồng không khí sạch và lành mạnh để tránh bụi và hạt mài mòn

Nghiên cứu và áp dụng các loại vật liệu mới như các hợp chất kim loại và

composite để cải thiện độ bền và giảm trọng lượng

Thiết lập các kế hoạch bảo dưỡng định kỳ để kiểm tra và bảo trì trục cam theo chu kỳ

Thực hiện kiểm tra độ chính xác, độ trơn, và các yếu tố khác đối với trục cam

9 Tiềm Năng Phát Triển Tương Lai

Tương lai của trục cam trong ô tô:

Liên kết giữa trục cam và công nghệ ô tô tự lái

Trục cam, đặc biệt là khi kết hợp với công nghệ điều chỉnh thời gian van xupap (Variable Valve Timing - VVT), có thể được điều chỉnh để tối ưu hóa hiệu suất động cơ dựa trên yêu cầu cụ thể của hệ thống tự lái

Thay đổi thời gian mở đóng của van xupap có thể ảnh hưởng đến sự linh hoạt của động cơ, đồng thời giúp tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng

Trục cam có thể được điều chỉnh để thích ứng với các chế độ lái tự động khác nhau Khi ô tô chuyển từ chế độ lái tự động về chế độ lái thủ công, trục cam có thể thay đổi để cung cấp trải nghiệm lái xe tối ưu cho người lái

Công nghệ ô tô tự lái đòi hỏi sự linh hoạt và phối hợp chặt chẽ giữa các hệ

thống Trục cam, khi tích hợp với các cảm biến và hệ thống điều khiển, có thể thích ứng với môi trường lái và các yếu tố khác nhau như địa hình, tốc độ, và điều kiện giao thông

Các công nghệ mới, bao gồm cả trục cam biến đổi thời gian và điều chỉnh mở đóng của van xupap, có thể giúp tối ưu hóa hiệu suất năng lượng của động cơ trong chế độ lái tự động, giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và làm giảm tỏa nhiệt

Trục cam là một phần của hệ thống điều khiển động cơ Trong ô tô tự lái, liên kết giữa trục cam và hệ thống này trở nên quan trọng để đảm bảo tính chính xác và đáng tin cậy trong quá trình tự lái

Trục cam có thể tích hợp với các cảm biến thông minh và hệ thống giao thông tự động để tối ưu hóa hiệu suất động cơ trong điều kiện giao thông đa dạng, đặc biệt là khi ô tô chuyển đổi giữa chế độ lái tự động và lái thủ công