CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÍ TRÊN Ô TÔ

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ, HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÍ, TRÊN Ô TÔ

Chương 1 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÍ

1.1 Nhiệm vụ, yêu cầu, phân loại

1.1.1 Nhiệm vụ

Hệ thống phân phối khí dùng để nạp đầy hỗn hợp hòa khí đối với động cơ xănghay không khí sạch đối với động cơ diesel vào các xylanh ở kỳ nạp và thải sạch khíthải trong xylanh ở kỳ xả

1.1.3 Phân loại

Hệ thống phân phối khí dùng cam và xupap được dùng phổ biến trên ĐCDT dokết cấu đơn giản và dễ dàng điều chỉnh Loại này lại được phân ra nhiều loại:

 Kiểu xupap treo: dùng phổ biến trên các động cơ hiện đại

 Loại OHV (OverHead Valve): trục cam đạt dưới thân máy, xupap

bố trí trên nắp máy và được điều khiển qua con đội, đũa đẩy và còmổ

 Loại OHC (OverHead Camshaft): loại có một trục cam đặt trên nắpmáy SOHC (Single OverHead Camshaft) và hai trục cam đặt trênnắp máy DOHC (Double OverHead Camshaft) điều khiển trực tiếpxupap hoặc thông qua cò mổ

 Kiểu xupap đặt: ngày nay ít được sử dụng nên không đề cập trong đề tài

Hệ thống phân phối khí dùng pittông đóng mở các cửa nạp và cửa thải thườngđược dùng trên động cơ 2 kỳ, có ưu điểm kết cấu đơn giản không phải điều chỉnh sửachữa nhưng chất lượng trao đổi khí không tốt

Hệ thống phân phối khí dùng van trượt trên xe đặc chủng và xe đua có tiết diệnthông qua lớn, chất lượng trao đổi khí cao nhưng giá thành chế tạo mắc.

Hệ thống điều khiển xupap bằng điện từ EVA (Electro-magnetic Valve ActuationSystems) ECU nhận tín hiệu từ các cảm biến điều khiển cuộn solenoid hay nam châmđiện đóng mở trực tiếp xupap, hệ thống này không sử dụng trục cam và có thể thay đổiđược thời điểm, thời gian và độ nâng xupap một cách tối ưu tùy thuộc vào các chế độhoạt động của động cơ

1.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của một số hệ thống phân phối khí phổ biến trên ĐCDT hiện nay

1.2.1 Hệ thống phân phối khí xupap treo loại OHV

Hình 1.1 Kết cấu xupap treo loại OHV 1-Ống dẫn hướng 2-Lò xo xupap 3-Đĩa lò xo 4-Móng hãm 5-Xupap 6-Cò mổ.

7-Vít chỉnh xupap 8-Đế xupap 9-Đũa đẩy 10-Con đội 11- Cam

Nguyên lý làm việc: trục cam 11 nằm trong thân máy và được dẫn động trựctiếp bằng bánh răng hoặc qua xích Khi trục cam quay làm cho bề mặt làm việc củacam tác động vào con đội 10 đẩy đũa đẩy 9 đi lên làm cò mổ xoay quanh trục của nó.Đầu kia của cò mổ ấn đuôi xupap đi xuống, lúc này lò xo bị nén lại Xupap đi xuốnglàm thông của nạp với xylanh động cơ nếu trong kỳ hút hoặc cửa thải với xylanh động

cơ nếu trong kỳ xả Khi cam 11 quay hết hành trình tác dụng thì lò xo 2 sẽ dãn ra đóng

xupap lại kết thúc quá trình hút hoặc thải Quá trình này diễn ra liên tục khi động cơhoạt động, mỗi một chu kỳ xupap hút và xả chỉ mở một lần.

Ưu điểm: có các ưu điểm của loại xupap treo như có thể tăng tí số nén động cơ

do buồng đốt có kết cấu nhỏ lại, diện tích truyền nhiệt giảm nên giảm tổn thất nhiệt,tăng hệ số nạp và giảm hệ số khí sót do kết cấu đường nạp và thải thông thoáng hơn

Nhược điểm: thân máy và nắp máy có kết cấu phức tạp hơn, tăng chiều caođộng cơ và cơ cấu dẫn động phức tạp

1.2.2 Hệ thống phân phối khí xupap treo loại OHC

Hình 1.2 Kết cấu xupap treo loại OHC 1-Xupap 2-Ống dẫn hướng 3-Lò xo xupap 4-Đĩa lò xo 5-Con đội 6-Cam

7-Móng hãm 8-Đế xupap

Nguyên lý làm việc: trục cam 6 đặt trên nắp máy và được dẫn động bằng trụckhuỷu thông qua dây đai hoặc xích Nguyên lý làm việc được chia làm hai quá trình cơbản sau: quá trình vấu cam đẩy mở xupap và quá trình lò xo giãn đóng kín xupap

Quá trình vấu cam đẩy mở xupap: 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 hoặc đai trung gian dẫn động các bánh xích hoặc bánh đai lắp

ở đầu các trục cam do đó làm cho các trục cam đóng mở xupap quay Khi các vấu camtiếp xúc với con đội 5 làm con đội bắt đầu chuyển động đi xuống tác động vào đĩa lò

xo ép lò xo xupap 3 nén lại đồng thời xupap chuyển động đi xuống làm mở các cửa

nạp nếu trong giai đoạn nạp khí vào xylanh động cơ và cửa thải nếu trong quá trìnhthải thực hiện quá trình nạp môi chất mới và thải khí cháy ra ngoài.

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

chuyển theo cho đến khi đỉnh của vấu cam vượt qua đường tâm con đội Lúc này conđội 5 bắt đầu di chuyển đi lên, lò xo xupap 3 từ từ giãn ra nhờ vào đĩa chặn lò xo 4cùng với các móng hãm đẩy xupap tịnh tiến về vị trí ban đầu thực hiện quá trình đóngkín xupap Chu trình đóng mở được lặp đi lặp lại như vậy tuân theo chu kì làm việccủa pha phân phối khí

Ưu điểm: giống loại xupap treo OHV, trục cam nằm trên nắp máy thuận tiệntrong việc bảo dưỡng, sửa chữa, lắp ghép

Nhược điểm: dẫn động trục cam phức tạp hơn, nắp máy khó đúc

1.2.3 Hệ thống phân phối khí không trục cam (Camless): Gồm có loại điện

từ, điện–thủy lực và loại thủy lực Dưới đây trình bày loại điện từ EVA(Electro-magnetic Valve Actuation Systems)

Hình 1.3 Cấu tạo của hệ thống điều khiển xupap bằng điện từ EVA

Trục cam là một cơ cấu phức tạp, làm tăng trọng lượng động cơ và tiêu haonhiều công suất do mất mát ma sát Do kết cấu vật lý nên một cam chỉ điều khiểnchuyển động của một xupap với các thông số thời điểm và độ nâng hạn chế do đó sẽkhông tối ưu cho tất cả các chế độ hoạt động của động cơ Những tiến bộ trong công

Nam châm điện

Phần ứngChén chặn

Lò xo

Xupap

Lò xo giãn

Lò xo nén

345

6

nghệ điều khiển thay đổi thời gian và độ nâng xupap VVT trong những năm gần đây

đã cải thiện được hiệu suất và hiệu quả động cơ tuy nhiên các hệ thống này vẫn cònphức tạp và chưa tối ưu Hệ thống phân phối khí không trục cam được phát minh đãmang lại bước đột phá mới trong động cơ đốt trong Với công nghệ này động cơ khôngcần sử dụng bướm ga đã làm giảm sự cản trên đường ống nạp và tổn thất do bơm, việcđiều khiển lượng hòa khí mới vào trong xylanh bằng việc thay đổi thời gian và hànhtrình xupap

Cấu tạo cơ cấu chấp hành gồm nam châm điện (electromagnet) được đặt phíatrên đỉnh xupap, miếng sắt từ đóng vai rò phần ứng được kết nối với đuôi xupap, các

Hình 1.4 Cấu trúc hệ thống 1-Tín hiệu từ các cảm biến 2- ECU 3- Bộ chấp hành điều khiển xupap hút

4-Xupap hút 5- Bộ chấp hành xupap xả 6- Xupap xả

Hệ thống sử dụng các nam châm điện 3 và 5 để đóng mở xupap 4 và 6 Tín hiệunhập vào từ các cảm biến 1 thông qua mạch giao tiếp nhập/xuất như vị trí pittông, tốc

độ động cơ, tố độ xe, nhiệt độ nước làm mát, áp suất khí nạp…ECU liên tục nhận tínhiệu từ các cảm biến sau đó tính toán thời gian và độ nâng xupap tối ưu để điều khiển

bộ chấp hành nam châm điện Sự chính xác của tín hiệu đầu vào là rất quan trọng đểđộng cơ hoạt động hiệu quả

Ưu điểm: giảm 20% lượng tiêu thụ nhiên liệu, 20% các khí thải ô nhiễm và tăng20% mômen xoắn ở tốc độ thấp, giảm ma sát do dễ bôi trơn và kết cấu đơn giản khôngcòn các bộ phận truyền động, nắp máy được đơn giản hóa.

Nhược điểm: tuy có rất nhiều ưu điểm nhưng động cơ với xupap điều khiểnđiện tử vẫn có những khiếm khuyết như khả năng xảy ra trục trặc lớn do lệ thuộc nhiềuvào các thiết bị điện tử Nếu máy tính điện tử gặp sự cố hoặc hệ thống điện có trụctrặc, rất có thể động cơ sẽ cho ra lượng khí thải độc hại lớn hoặc tệ hơn nếu xupapđóng mở không đúng thời điểm sẽ phá vỡ đỉnh pittông, hư hỏng động cơ

1.3 Ảnh hưởng của việc thay đổi pha phân phối khí tới hiệu quả động cơ (Công nghệ thay đổi thời điểm phối khí VVT-Variable Valve Timing)

Trước khi đi sâu nghiên cứu về sự thay đổi pha phân phối khí trên các hệ thốngphân phối khí thông minh tới hiệu quả động cơ ta đi tìm hiểu ảnh hưởng của pha phânphối khí tới quá trình thải và nạp của động cơ bốn kỳ cổ điển

Theo lý thuyết đơn giản với 7200 góc quay trục khuỷu thì mỗi kỳ tương ứng với

1800 và xupap xả bắt đầu mở khi pittông ở điểm chết dưới đầu kỳ xả và đóng lại khipittông tới điểm chết trên và lúc này xupap hút mở và khi pittông tới điểm chết dướitrong kỳ nạp thì đóng lại Tuy nhiên trên các động cơ đốt trong thực tế thì có sự thayđổi thời điểm mở và khoảng thời gian mở các xupap sao cho động cơ hoạt động vớihiệu quả cao nhất đồng thời khí thải phát ra ít gây ô nhiễm môi trường

Hình 1.5 Pha phân phối khí động cơ bốn kỳ không tăng áp

 - góc đánh lửa hoặc phun dầu sớm

1.3.1 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm mở xupap xả (Effects of Changes to Exhaust Valve Opening Timing – EVO)

Xupap thải bắt đầu mở sẽ làm cho áp suất cao trong xylanh trong quá trình đốtcháy được thoát ra ngoài qua hệ thống xả

Xupap thải mở sớm trước khi pittông tới điểm chết dưới (điểm b’ trên hình) sẽ tạođiều kiện thuận lợi cho quá trình thải bằng cách cho sản vật cháy tự thoát ra ngoài nhờchênh áp giữa xylanh và đường thải Với mục đích giảm tải trọng động cho xupap cầnphải cho xupap mở và đóng đường thông một cách từ từ Chính vì vậy việc mở sớmxupap thải nhằm tạo ra giá trị “thời gian-tiết diện” đủ để áp suất trong xylanh giảm tớimức yêu cầu khi pittông đi ngược từ điểm chết dưới lên điểm chết trên Khi đã mởsớm xupap thải vào thời điểm hợp lý sẽ làm giảm công tiêu hao cho việc đẩy khí thải

Trong chế độ tải nhỏ hay một phần tải động cơ sẽ đạt hiệu suất cao hơn nếu nhưthời điểm mở xupap thải càng gần ĐCD hơn càng tốt vì ở chế độ này áp lực khí cháytrong xylanh nhỏ hơn nên cũng cần ít thời gian hơn để đẩy khí cháy ra ngoài Ngượclại khi động cơ ở chế độ toàn tải thì cần mở xupap thải sớm tức trước khi pittông tớiĐCD vì cần có đủ thời gian để đẩy sạch khí cháy ra ngoài, tuy mất một ít công trên đồthị p-v nhưng bù vào đó quá trình nạp trong chu kỳ kế tiếp có lợi ích lớn hơn nên nhìnchung động cơ sẽ đạt được hiệu quả cao hơn

Hình 1.6 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm mở xupap xả

1.3.2 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm đóng xupap xả (Effects of Changes

to Exhaust Valve Closing Timing – EVC)

Xupap thải bao giờ cũng đóng trễ sau khi pittông đã đi qua điểm chết trên nhằmđảm bảo cho sản vật cháy được thoát hết ra ngoài, mặt khác lợi dụng chênh áp để sảnvật cháy được thải tiếp giảm lượng khí sót còn lại trong xylanh Ngoài ra việc đóngmuộn xupap thải còn nhằm sử dụng quán tính trên đường thải sinh ra giảm áp có tínhchu kỳ thấp hơn giá trị trung bình của pth tạo điều kiện để thải sạch hơn

Thời điểm đóng xupap thải có ảnh hưởng rất quan trọng đến việc khí thải còn lạitrong xylanh trong kỳ hút tiếp theo Thời điểm đóng xupap thải là một thông số quantrọng trong việc điều khiển lưu hồi khí thải và góc trùng điệp của hai xupap

Khi ở chế độ đầy tải mong muốn cho lượng khí thải còn lại trong xylanh là ít nhất

để tối đa lượng hòa khí mới nạp vào trong xylanh trong kỳ hút kế tiếp Điều này đòihỏi thời điểm đóng xupap thải phải càng gần ngay ĐCT Ngoài ra trong động cơ có hệthống xả tích cực nghĩa là sử dụng sóng áp suất của dòng khí xả xylanh khác thì thờiđiểm đóng xupap xả cũng ảnh hưởng tới sóng áp suất làm ảnh hưởng tới việc đẩy hayhút khí xả ra ngoài hoặc trở lại xylanh Sóng áp suất thay đổi theo tốc độ động cơ do

đó nếu cố định thời điểm đóng xupap xả ở một tốc độ nào đó sẽ gây ảnh hưởng tới cácchế độ hoạt động khác của động cơ

Cải thiện mômen xoắn ở tốc độ cao

Cải thiện mômen xoắn ở tốc độ thấp và hiệu quả

ở tải nhỏ

ĐCT

ĐCDXupap xả

Khi động cơ hoạt động ở chế độ một phần tải thì thời điểm đóng muộn xupap thải

có thể mang lại lợi ích lớn từ việc giữ lại một phần khí thải để hạn chế hòa khí mới nạpvào Khí thải được giữ lại do đó làm giảm sự hoạt động cần thiết của bớm ga để điềukhiển lượng hòa khí vào buồng đốt và kết quả làm giảm tổn thất bơm trong kỳ hút tiếptheo Di chuyển thời điểm đóng trễ xupap thải sẽ làm tăng tuần hoàn khí thải tươngứng giảm phát thải khí thải làm động cơ thân thiện với môi trường

Giới hạn bao nhiêu khí thải còn lại trong xylanh là cần thiết để đặc tính sự cháyvẫn ổn định và không ảnh hưởng tới công suất động cơ Tuần hoàn khí thải làm giảmdụng tích xylanh của buồng đốt do lượng khí trơ chiếm chỗ do đó sẽ làm giảm côngsuất và gây ra đặc tính cháy xấu Vì vậy ở chế độ cầm chừng và tốc độ thấp không nên

sử dụng việc lưu hồi để ổn định tốc độ cầm chừng, khi ở tốc độ cao cũng vậy để côngsuất và mômen động cơ phát ra đạt tối đa

Hình 1.7 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm đóng xupap xả

1.3.3 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm mở xupap nạp (Effect of changes to Intake Valve Opening Timing – IVO)

Việc mở xupap nạp cho phép hòa khí vào xylanh từ ống góp hút (trong động cơdiesel hay động cơ phun xăng trực tiếp thì chỉ có không khí) Thời gian bắt đầu mởxupap nạp cần chọn sao cho khi áp suất trong xylanh (do giãn nở của khí sót) hạ thấphơn áp suất môi chất trên đường nạp thì tiết diện lưu thông của xupap nạp đã đủ lớn đểmôi chất mới đi vào Do đó thường mở sớm xupap nạp trước ĐCT (BTDC) Thời điểm

Cải thiện hiệu quả động cơ

ở chế độ cầm chừng, toàn tải và tốc độ cao do giảm

EGR

Cải thiện hiệu quả động cơ

ở chế độ tốc độ, tải trung bình do làm tăng EGR

ĐCT

ĐCD

SauĐCTXupap xả

mở xupap nạp là thông số thứ hai xác định góc trùng điệp của xupap nạp và xupap xả(cả hai xupap đều mở) (14) đó đó thời điểm đóng xupap xả và mở xupap nạp thayđổi sẽ làm thay đổi thời điểm phối khí, thay đổi lượng luân hồi khí thải.

Hình 1.8 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm mở xupap nạp

1.3.4 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm đóng xupap nạp (Effect of changes

to Intake Valve Closing Timing – IVC)

Hiệu quả thể tích hòa khí nạp vào phụ thuộc vào thời điểm đóng xupap nạp theotừng tốc độ và tải động cơ Thời điểm đóng xupap nạp quyết định bao nhiêu hòa khí sẽđược nạp vào xylanh do đó ảnh hưởng tới tính kinh tế và hiệu quả động cơ

Để đạt được mômen xoắn tối đa xupap nạp đóng muộn sau khi pittông đã vượtqua điểm chết dưới nhằm nạp thêm môi chất mới vì ở điểm chết dưới tiết diện lưuthông qua xupap còn lớn, áp suất trong xylanh pa còn thấp hơn áp suất trên đường ốngnạp pk quán tính của môi chất mới từ đường nạp vào xylanh vẫn còn Do đó có thể kéodài quá trình nạp thêm một giai đoạn sau điểm chết dưới cho tới khi áp suất trongxylanh trở nên lớn hơn pk Mặt khác còn lợi dụng quán tính của dòng khí nạp tốc độcao để nạp thêm môi chất giúp tối đa lượng hòa khí nạp vào để công suất và mômenđộng cơ phát ra tối đa

Việc đóng sớm xupap nạp sẽ làm giảm hòa khí nạp vào xylanh giúp tiết kiệmnhiên liệu ở chế độ tải nhỏ Việc đóng sớm xupap nạp ở chế độ tải nhỏ còn giúp hạnchế hòa khí quay trở lại ống góp hút và hạn chế tổn thất bơm

Có thể giảm EGR phụ thuộc vào thời điểm đóng xupap xả

Có thể tăng EGR phụ thuộc vào thời điểm đóng xupap xả

ĐCT

ĐCD

TrướcĐCTXupap nạp

Hình 1.9 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm đóng xupap nạp

Thời gian mở sớm và đóng muộn của các xupap theo góc quay trục khuỷu tínhbằng độ tạo thành pha phân phối khí của động cơ Động cơ vận tải hoạt động ở các tốc

độ khác nhau mà mỗi tốc độ lại tương ứng với một pha phân phối khí tối ưu đảm bảocho hệ số nạp đạt cực đại Nhưng trên thực tế các động cơ cổ điển không thể thay đổiđược điều này Pha phân phối khí trong mỗi động cơ được quyết đinh sau khi thửnghiệm và lấy ở tốc độ xe hay hoạt động

Loại động

cơ

Tốc độđộng cơ

điệp

Mở trướcĐCT

Đóng sauĐCD

Mở trướcĐCD

Đóng sauĐCTĐộng cơ xăng ô tô

Pha phân phối khí ở một số động cơ cổ điển

Trên các động cơ hiện đại có trang bị hệ thống phân phối khí thông minh thìpha phân phối khí có thể điều chỉnh trong phạm vi nhất định sao cho động cơ hoạtđộng hiệu quả ở mọi chế độ

3

1 và 2Đường mômen động cơ

Đóng trễ sau ĐCD giúp tăng mômen xoắn

tối đa

Đóng gần ĐCD làm giảm hòa khí nạp giúp tiết kiệm nhiên liệu ở chế độ tải nhỏ

ĐCT

ĐCD

SauĐCDXupap nạp

Hình 1.10 Đồ thị mômen động cơ

Ở chế độ cầm chừng (phạm vi số 1 trên biểu đồ) công sinh ra chỉ cần để thắngcác lực ma sát nên tốc độ động cơ thấp và khi có sự tăng tải bất ngờ thì động cơ dễ bịchết máy Chế độ này yêu cầu tỉ lệ hòa khí nạp vào xylanh động cơ đậm hơn và việcthải sạch khí thải để hệ số khí sót thấp dẫn tới môi chất công tác được tốt hơn Lúc nàycần pha phân phối khí trễ hơn tức điều chỉnh góc trùng điệp (14) nhỏ lại để khícháy được thải sạch ra ngoài, giảm khí xả chạy ngược lại phía nạp Điều này làm ổnđịnh chế độ không tải

Hình 1.11 Chế độ cầm chừng

Khi ở chế độ tải nhẹ (phạm vi số 2 trên biểu đồ) nghĩa là áp suất trên ống góphút rất thấp nên có xu hướng hút khí xả trên ống góp xả lại nên thời điểm phối khí của

NạpXả

ĐCT

ĐCD

Góc trùng điệp nhỏ nhất