Trong khi động cơ hoạt động, nhiệt độ ở trong các xilanh rất cao, ở kỳ nổ có thể đạt tới hàng ngàn độ, do vậy động cơ cần phải có hệ thống làm mát để thoát nhiệt kịp thời cho các chi tiết bị nóng quá và có như vậy thì mới có thể đảm bảo cho nó hoạt động được bình thường.
Các loại động cơ đốt trong ngày nay có hiệu suất nhiệt rất thấp, chẳng hạn các động cơ xăng có hiệu suất nằm trong khoảng 23-28 %. Nghĩa là, bình quân chỉ có khoảng 25 % năng lượng do nhiên liệu bị đốt cháy là được chuyển hoá thành cơ năng hữu ích phục vụ cho các hoạt động của động cơ. Còn lại, khoảng 34 % năng lượng đi theo khí xả thải ra ngoài không khí, 6 % mất mát do ma sát, 3 % chi phí cho kéo tải bơm nước và khoảng 32 % được thải vào không khí qua hệ thống làm mát.
SVTH: Trần Cao Toàn Trí 73
Hiện nay có hai phương pháp làm mát động cơ: làm mát bằng chất lỏng và
làm mát bằng không khí. Phần lớn các động cơ đốt trong đặt trên ôtô sử phương pháp làm mát bằng nước và chỉ một số rất ít được làm mát bằng không khí.
Các khu vực tập trung nhiệt cần làm mát cũng là thành xilanh và nắp máy.
Đây là những khu vực tiếp xúc trực tiếp với khí cháy có nhiệt độ rất cao. Nếu làm mát bằng không khí thì các nắp máy và vỏ ngoài của xilanh phải có gắn các cánh tản nhiệt, còn nếu làm mát bằng nước thì bao quanh các xilanh và các nắp máy phải có các khoang chứa nước làm mát.
Hệ thống làm mát bằng chất lỏng có thể được phân biệt theo phương pháp truyền nhiệt: hệ thống làm mát bằng đối lưu và hệ thống làm mát cưỡng bức. Trong hệ thống làm mát theo nguyên tắc đối lưu, chất lỏng luân chuyển được là nhờ sự chênh lệch nhiệt độ giữ các vùng của hệ thống. Phương pháp làm mát này có hiệu quả thấp do dòng đối lưu rất yếu nên được sử dụng rất hạn chế, chủ yếu trên một số động cơ có công suất nhỏ.
Hệ thống làm mát cưỡng bức được sử dụng rộng rãi hơn nhờ có khả năng chuyển tải lượng nhiệt rất lớn và hiệu quả làm mát cao. Hệ thống có thể là kín (không thông với khí quyển) hoặc hở (luôn thông với khí quyển).
Các động cơ ôtô đều sử dụng hệ thống làm mát cưỡng bức loại kín, trong đó chất lỏng được luân chuyển nhờ một bơm chuyên dùng (thường là bơm ly tâm). Do hệ thống luôn luôn kín nên khi động cơ hoạt động nước nóng lên và nở ra làm tăng áp suất trong hệ thống và như vậy nhiệt độ sôi của nước trong hệ thống làm mát cũng được tăng lên. Trong một hệ thống như vậy, thường phải có một van điều áp để xả bớt chất lỏng ra ngoài tránh cho áp suất trong hệ thống tăng cao quá gây nguy hiểm. Nhiệt độ sôi của nước trong các hệ thống làm mát kín có thể đạt tới 120° C. Chế độ nhiệt tối ưu của động cơ là khi nhiệt độ nước ở trong khoang làm mát của xi lanh vào khoảng 80-1000.
SVTH: Trần Cao Toàn Trí 74
1-Thân máy; 2-Nắp máy; 3-Đường nước ra khỏi động cơ; 4-Ống dẫn bọt nước; 5- Van hằng nhiệt; 6-Nắp rót nước; 7-Két nước; 8-Quạt gió; 9-Puly; 10-Ống nước nối tắt vào bơm; 11-Đường nước vào động cơ; 12-Bơm nước; 13-Két làm mát dầu; 14-
Ống phân phối nước.
Khi động cơ hoạt động, chất lỏng được lưu thông nhờ bơm nước 12. Bơm này cùng với quạt gió được dẫn động bằng dây đai từ một puly trên đầu trục khuỷu. Bơm đẩy nước đi vào các khoang làm mát trên thân máy và trong nắp máy, sau đó nước được dẫn ra qua van hằng nhiệt 5 rồi trở lại bơm nước tạo thành một vòng tuần hoàn kín. Nhờ có van hằng nhiệt nước có thể được lưu thông theo một trong hai vòng tuần hoàn lớn hoặc nhỏ tùy theo chế độ nhiệt của động cơ. Khi động cơ nguội (mới nổ máy), nhiệt độ nước còn thấp hơn 70° C thì van nhiệt đóng, nước lưu thông theo vòng tuần hoàn nhỏ: từ van hằng nhiệt theo ống nối 10 tới bơm rồi lại đi vào thân máy để làm mát, nghĩa là nước không đi qua két làm mát, do vậy nó nóng lên nhanh chóng. Nhờ vậy mà động cơ nhanh chóng đạt được chế độ nhiệt định mức (80-100° C). Khi động cơ đã nóng, nhiệt độ nước vượt quá 70° C thì van nhiệt tự động mở ra và lúc này nước làm mát lưu thông theo vòng tuần hoàn lớn, lần lượt đi qua các bộ phận sau: bơm, các khoang làm mát trong thân và nắp máy, van hằng nhiệt, két nước, đường ống 11, bơm. Lúc này nước được làm mát tại két nước nhờ có luồng không khí thổi qua két nước. Nhiệt độ nước làm mát ở khu vực vừa ra khỏi động cơ được đo bằng một cảm biến nhiệt và báo lên đồng hồ đặt trên bảng táplô của xe.
Ở phía trước két nước thường có một tấm chắn, tấm này có tác dụng điều chỉnh lượng không khí đi qua két nước. Tấm chắn được tạo bởi các tấm thép nhỏ xếp liền nhau. Nhờ cấu tạo đặc biệt của tấm chắn mà người ta có thể điều chỉnh được mức độ làm mát bằng cách điều chỉnh độ mở của các tấm thép một cách thích hợp. Vào mùa đông ở xứ lạnh động cơ có thể bị lạnh quá, không thể đạt được chế độ nhiệt tối ưu, khi đó người ta phải đóng hoàn toàn tấm chắn lại để động cơ có thể hoạt động được bình thường.
Hiện nay, trên các động cơ ôtô thường áp dụng các biện pháp kỹ thuật nhằm tự động duy trì chế độ nhiệt của động cơ. Việc này có thể được thực hiện bằng cách thay đổi góc nghiêng của quạt gió; thay đổi lượng không khí thổi qua két nước; sử dụng quạt gió dẫn động bằng điện hoặc thuỷ lực để có thể điều khiển tắt quạt khi động cơ quá nguội và bật lại khi nó đã đủ nóng, ... Tất cả các phương pháp kể trên đều phải dựa vào tín hiệu điều khiển từ một cảm biến đo nhiệt độ nước.
2.5.4 Cơ cấu phân phối khí
2.5.4.1 Phân loại và nguyên lý hoạt động a) Các loại cơ cấu phân phối khí
SVTH: Trần Cao Toàn Trí 75
Cơ cấu phối khí thường được phân thành 2 loại: có xu páp và không có xupáp. Loại không có xupáp (kiểu van trượt) thường được dùng ở các động cơ 2 kỳ. Loại này sử dụng chủ yếu trên các động cơ mô tô hoặc các động cơ cỡ nhỏ, hiếm khi gặp trên các động cơ ô tô và các loại động cơ công suất lớn.
Phần lớn các động cơ ôtô sử dụng cơ cấu phối khí kiểu xupáp. Tuỳ theo cách bố trí xupáp mà có thể phân biệt 2 loại cơ cấu phối khí: loại thứ nhất có xupáp nằm bên dưới (trong thân máy), thường gọi là xupáp đặt (hình 2.53) và loại thứ hai có xupáp bố trí bên trên, ngay trong nắp máy, gọi là xupáp treo (hình 2.54). Động cơ có xupáp trên thường có ký hiệu OHV (overhead valve).
Hình 2.61. Cơ cấu xu páp đặt
Hình 2.62. Cơ cấu xu páp treo
2.5.4.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động cơ cấu phân phói khí
Cơ cấu phối khí bao gồm những bộ phận chính sau: các bánh răng dẫn động, trục phân phối (còn gọi là trục cam), con đội, đũa đẩy, đòn mở (cò mổ) có vít điều chỉnh, trục giàn cò mổ, xupáp, lò xo và ống dẫn hướng xupáp. Trục phân phối được
SVTH: Trần Cao Toàn Trí 76
dẫn động quay từ trục khuỷu của động cơ nhờ một trong ba phương pháp sau đây: truyền động bánh răng, truyền động đai răng, hoặc truyền động xích. Trên trục phân phối có các vấu cam có biên dạng được thiết kế để đảm bảo đúng chu kỳ phối khí, mỗi cam điều khiển một xu páp. Khi trục quay, nếu con đội đang tiếp xúc với phần thấp của cam (mặt trụ) thì con đội và đũa đẩy đang ở vị trí thấp nhất, lúc này xupáp bị đóng chặt nhờ lực của các lò xo. Khi vấu cam (phần cao) tiếp xúc với con đội thì con đội và đũa đẩy bị nâng lên, đầu trên của đũa đẩy tỳ vào đầu dưới của vít chỉnh làm quay đòn mở. Khi đó đầu còn lại của đòn mở tỳ lên đuôi xupáp và đẩy nó đi xuống, lò xo bị ép lại và xupáp mở ra.
Hình 2.63. Cơ cấu phân phối khí dẫn động bằng xích
1-Trục khuỷu; 2-Bánh răng cơ; 3-Xích; 4-Guốc căng xích; 5-Cơ cấu căng xích; 6-Bánh răng cam; 7-Trục cam; 8-Đòn bẩy cam; 9-Xu páp; 10-Bạc của bulong
điều chỉnh; 11- Bulong điều chỉnh; 12- Cơ cấu đỡ xích; 13-Bánh răng dẫn động bơm dầu.
Khi đỉnh của vấu cam đi qua khỏi con đội thì con đội cùng với đũa đẩy bắt đầu đi xuống và xupáp đóng lại. Khi xupáp đang ở trạng thái đóng thì giữa đầu tỳ của đòn mở và mặt tiếp xúc ở đuôi xupáp phải có khe hở nhất định để đảm bảo cho xu páp đóng hoàn toàn (còn gọi là khe hở nhiệt). Đối với các loại động cơ đốt trong hiện nay, khe hở này nằm trong khoảng 0,2 - 0,3 mm. Khe hở nhiệt cần được điều chỉnh thường xuyên trong quá trình sử dụng do các chi tiết tiếp xúc bị mài mòn dần. Khi làm việc các chi tiết đều nóng lên và giãn nở làm khe hở giảm đi. Do vậy, nếu khi điều chỉnh để khe hở quá nhỏ thì có thể lúc làm việc khe hở này có thể bị triệt tiêu và xupáp không đóng hết (kênh xupáp). Ngược lại, nếu để khe hở lớn quá thì khi làm việc sẽ sinh ra va đập giữa đầu đòn mở và đuôi xupáp gây nên tiếng “gõ xupáp).
SVTH: Trần Cao Toàn Trí 77
2.5.5 Hệ thống cung cấp nhiên liệu
2.5.5.1 Hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ xăng a) Hệ thống cung cấp nhiên liệu dùng chế hòa khí.
Cấu tạo hệ thống nhiên liệu dùng bộ chế hòa khí trên các dòng ô tô khác nhau có thể khác nhau về cấu trúc nhưng về nguyên lý hoạt động thì giống nhau. Hệ thống cung cấp nhiên liệu gồm các bộ phận chính: thùng xăng, bầu lọc thô, bơm xăng, bộ chế hòa khí và các đường ống dẫn nhiên liệu.
Hình 2.64. Sơ đồ cấu tạo chung hệ thống nhiên liệu dùng chế hòa khí 1-Thùng xăng; 2-Ống dẫn xăng; 3- Bình lọc xăng; 4-Bơm chuyển; 5-Bộ chế hòa
khí; 6-Bầu lọc không khí; 7-Ống hút; 8-Ống xả; 9-Ống giảm thanh
Nguyên lý làm việc của của hệ thống cung cấp nhiên liệu dùng chế hòa khí: Xăng từ thùng 1 được bơm xăng cấp đến chế hòa khí, xăng được lọc qua bầu lọc xăng. Tại chế hòa khí, xăng được trộn với không khí (hút từ ngoài qua bầu lọc không khí) tạo thành hỗn hợp và cấp và các xi lanh của động cơ theo các chế độ làm việc. Điều khiển việc cấp hỗn hợp vào động cơ nhờ bàn đạp ga, thông qua cáp truyền tới bướm ga trong chế hòa khí. Mức xăng trong thùng được chỉ thị trên bảng điều khiển trong buồng lái.
SVTH: Trần Cao Toàn Trí 78
Hình 2.65. Sơ đồ bộ chế hòa khí đơn giản
b) Hệ thống cung cấp nhiên liệu phun xăng điện tử
Hệ thống phun xăng điện tử là hệ thống cung cấp xăng dùng vòi phun xăng
cưỡng bức bằng thiết bị điều khiển điện tử (EFI – Electronnic Fuel Injection). Sơ đồ cấu trúc hệ thống
Hệ thống phun xăng điện tử là một tổ hợp gồm: phần cung cấp nhiên liệu, phần cung cấp không khí, phần điều khiển điện tử phun xăng.
- Phần điện: có nhiệm vụ cung cấp thông tin của động cơ đến bộ điều khiển trung tâm (ECU), thực hiện cấp tín hiệu cho các bộ phận chấp hành và các bộ phận cảnh báo, và nhận tín hiệu từ các cảm biến. ECU sẽ xử lý các thông tin, tính toán các trạng thái thực tế và đưa ra các tín hiệu điều khiển các cơ cấu chấp hành một cách tối ưu nhất. Trong quá trình tiếp nhận thông tin và xử lý thông tin ECU còn thông báo các trạng thái lỗi và tín hiệu hoạt động bình thường của hệ thống qua các tín hiệu trên bảng táp lô.
- Phần cung cấp xăng: có nhiệm vụ cung cấp xăng cho các vòi phun xăng chính và vòi phun xăng khởi động lạnh. Vòi phun xăng chính và vòi phun khởi động lạnh chỉ phun xăng cho xilanh khi có tín hiệu điều khiển từ ECU.
- Phần cung cấp không khí: có nhiệm vụ cung cấp phần không khí đã lọc sạch
SVTH: Trần Cao Toàn Trí 79
Hình 2.66. Sơ đồ nguyên lý cơ bản của hệ thống phun xăng điện tử
Nguyên lý hoạt động của hệ thống phun xăng điện tử
Khi bật công tắc máy cấp nguồn, lúc này có điện áp từ cực dương ắc quy cung cấp đến ECU. Sau khi bật công tắc máy, rơle chính hoạt động điện áp cung cấp đến ECU và các thiết bị khác như: cuộn dây kim phun, hệ thống đèn, hệ thống đánh lửa, các rơle,… Khi có điện nguồn cung cấp đầy đủ cho ECU, nguồn 5V trong ECU sẽ cấp điện cho bộ vi xử lí và các cảm biến.
SVTH: Trần Cao Toàn Trí 80
Hình 2.67. Sơ đồ hoạt động của hệ thống EFI
Nếu chuyển công tắc sang vị trí STA thì cuộn cuộn dây thứ nhất của rơle bơm hoạt động điều khiển bơm nhiên liệu đến kim phun, động cơ kéo bộ chia điện quay. ECU nhận tín hiệu STA và nhận tín hiệu hoạt động của động cơ, lúc này ECU ra tín hiệu điều khiển cuộn dây thứ hai của rơle bơm để giữa tiếp điểm rơle bơm khi tín hiệu STA mất. Bơm xăng được điều khiển để cung cấp xăng đến ống kim phun, ECU sẽ ra tín hiệu điều khiển thời điểm phun để nhất kim phun xăng vào đường ống nạp của động cơ.
2.5.5.2 Hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ diesel a) Nhiện vụ và phân loại
Nhiên liệu diesel có độ nhớt cao, để hỗn hợp có thể cháy nhanh và triệt để, nhiên liệu phun vào buồng đốt cần có áp suất cao (tối thiểu 0,7 MPa). Nhiên liệu được phun tới vào cuối kỳ nén, trong xilanh áp suất không khí cao, không gian buồng đốt hẹp và tự bốc cháy.
Hệ thống nhiên liệu diesel có nhiệm vụ tạo nhiên liệu ở áp suất cao đưa qua vòi phun vào trong xilanh ở cuối kỳ nén để nhiên liệu tự bốc cháy.
SVTH: Trần Cao Toàn Trí 81
- Buồng đốt phân cách (buồng đốt với hai không gian: chính và phụ). Loại này
áp suất phun thấp và ít dùng trên động cơ ô tô.
- Buồng đốt thống nhất với vòi phun trực tiếp nhiều lỗ phun, áp suất phun cao (>1,2 MPa)
b) Cấu tạo và nguyên lý chung của hệ thống nhiên liệu diesel
Nhiêu liệu diesel từ thùng chứa 1 được bơm thấp áp (bơm chuyển nhiên liệu) hút qua bầu lọc 7 và đưa đến bơm cao áp 6. Tại thời điểm cuối của quá trình nén của xilanh, bơm cao áp cấp nhiên liệu với áp suất cao cho vòi phun 6 của xilanh qua đường ống cao áp 8. Vòi phun thực hiện phun nhiên liệu vào xilanh, cùng với không khí đã được nén, tạo nên hỗn hợp cháy.
Hình 2.68. Cấu tạo chung của hệ thống nhiên liệu diesel
1-Thùng chứa; 2- Lọc và van một chiều; 3-Lọc sơ cấp; 4-Bơm chuyển; 5- Bơm tay; 6-Bơm cao áp; 7-Lọc thứ cấp; 8-Ống cao áp; 9-Vòi phun; 10-Van an toàn; 11-Bộ
điều tốc; 12-Đường dầu về
Hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ đáp ứng với mọi chế độ làm việc thông qua việc điều chỉnh thời điểm phun và lượng phun. Lượng nhiên liệu và thời điểm phun được thực hiện nhờ bơm cao áp. Một bộ phận trong bơm cao áp liên kết với bàn đạp chân ga điều khiển lưu lượng phun. Để thực hiện phun nhiên liệu đúng thời điểm, bơm cao áp được đặt phù hợp theo pha phân phối khí thông qua liên kết của trục bơm cao áp với trục khuỷu động cơ. Nhiên liệu thừa sau quá trình phun được trở về thùng chứa qua đường ống dầu về 12.
SVTH: Trần Cao Toàn Trí 82