3. 1.2 Điều kiện làm việc
3.2.2. Điều kiện làm việc
Do tiếp xúc trực tiếp với khí cháy nên các xupap chịu áp lực rất lớn và nhiệt độ cao, nhất là đối với xupap thải. Ví dụ, ở động cơ xăng, nhiệt độ xupap thải có thể đến 8008500C, còn ở động cơ diesel có thể tới 500 6000C. Ngoài ra, xupap còn bị ăn mòn hóa học do các hơi axit trong khí cháy, đặc biệt là đối với xupap thải.
Khí xupap đóng mở, nấm xupap va đập với đế nên nấm dễ bị biến dạng cong vênh và mòn rỗ bề mặt nấm.
Vận tốc lưu động của môi chất qua xupap rất lớn. Đối với xupap thải, vận tốc này có thể đạt 400 600 m/s gây ra mòn cơ học bề mặt nấm và đế.
3.2.3. Vật liệu
Đối với xupap thải, thường sử dụng thép hợp kim chịu nhiệt có các thành phần như silic, crôm, măng gan. Để tiết kiệm vật liệu có thể chỉ chế tạo nấm bằng hợp kim chịu nhiệt rồi hàn với thân xupap bằng thép thông thường. Để chống mòn và chống gỉ, người ta mạ lên bề mặt làm việc của xupap một lớp mỏng hợp kim côban.
Đối với xupap nạp, người ta cũng sử dụng thép hợp kim crôm, măng gan hoặc hợp kim chịu nhiệt có thêm thành phần của silic. Tuy nhiên khả năng chịu nhiệt không cần cao như đối với vật liệu của xupap thải.
3.2.4. Kết cấu : Theo kết cấu, người ta chia xupap ra làm 3 phần : Nấm, Thân, Đuôi. (hình 3.8).
Hình 3.8. Kết cấu xupap
1 – Đuôi xupap, 2 – Thân xupap, 3 – Nấm xupap.
3.2.4.1. Kết cấu nấm xupap
Phần quan trọng nhất của nấm là bề mặt làm việc với góc vát . Góc càng nhỏ, tiết diện thông qua của xupap càng lớn nhưng dòng khi càng bị ngoặt làm tăng sức cản lưu động của dòng khí: mặt khác khi đó chiều dây của nấm nhỏ ảnh hưởng đến sức bền của nấm. Do đó hầu hết xupap thải có = 450 còn đối với xupap nạp thông thường 300 <= <= 450.
Chiều rộng b của nấm phụ thuộc tương quan giữa độ cứng của đế xupap và nấm xupap. Để tránh hiện tượng nấm bị mòn thành rãnh trên bề mặt và để thuận tiện khi sửa chữa, đế xupap được làm mềm hơn nấm. Khi đó bề rộng b của nấm lớn hơn bề rộng của đế xupap.
Theo kết cấu, nấm bằng đơn giản, dễ chế tạo và có diện tích chịu nhiệt nhỏ.
Nấm lõm có bán kính chuyển tiếp giữa nấm và thân rất lớn nên được dùng làm xupap nạp để cho dòng khí nạp đỡ bị ngoặt. Phần lõm nhằm giảm trọng lượng của nấm hay của toàn bộ xupap.
Nấm lồi được dùng cho xupap thải nhằm cải thiện quá trình thải, cụ thể là giảm các vùng chết khi thải để thải sạch.
Một số động cơ có xupap thải rỗng với 50 – 60% thể tích chứa natri. Khi động cơ làm việc, natri nóng chảy ( nhiệt độ nóng chảy của natri là 970C). Mặt khác, xupap chuyển động lên xuống liên tục nên natri lỏng sẽ bị sóng sánh trong lỗ rỗng và do đó có tác dụng tải nhiệt từ đầu xupap lên phần thân rồi truyền qua ống dẫn hướng xupap ra nước làm mát.
3.2.4.2 Thân xupap: (hình 3.9)
Thấn xupap có nhiệm vụ dẫn hướng và tản nhiệt cho nấm xupap. Phần nối tiếp giữa nấm và thân thường được làm nhỏ lại để dễ gia công và tránh bị kẹp xupap trong ống dẫn hướng vì phần dưới của thân có nhiệt độ cao hơn phần trên.
Hình 3.9. Thân xupap 3.2.4.3 Đuôi xupap
Đuôi xupap phải có kết cấu để lắp đĩa lò xo xupap. Thông thường đuôi xupap có mặt côn hoặc rãnh vòng để lắp mõng hãm. Kết cấu đơn giản nhất để lắp đĩa lò xo xupap là dùng chốt nhưng tạo ra tập trung ứng suất. Để đảm bảo an toàn, chốt phải được chế tạo bằng vật liệu có độ bền cao.
Để tăng khả năng chịu mòn, bề mặt đuôi xupap ở một số động cơ được chế tạo riêng bằng thép ôstenit và được tôi cứng rồi hàn với thân.
Đối với xupap được cam dẫn động trực tiếp không qua các chi tiết trung gian như đòn gánh, cò mổ… đuôi xupap thường có ren để lắp đĩa lò xo xupap. Khe hở giữa đuôi xu pap và cam được điều chỉnh bằng cách xoay đĩa phía trên. Sau khi điều chỉnh, do có kết cấu răng hãm nên đĩa trên được ghép thành một khối với đĩa dưới. Đối với cơ cấu phối khí dẫn động gián tiếp, để tránh hiện tượng các chi tiết giãn nở làm kênh xupap nên phải có khe hở nhiệt. Khe hở này do nhà chế tạoqui định, thông thường được xác định bằng căn lá có độ dày bằng khe hở nhiệt, xupap phải đóng kín. Sau khi điều chỉnh xong, các vít điều chỉnh được hãm lại bằng các ốc hãm trên con đội đối với cơ cấu phối khí xupap đặt và cò mổ đối với cơ cấu phối khí xupap treo.
Hình 3.11. Kết cấu điều chỉnh khe hở nhiệt xupap
Để tăng tuổi thọ và đảm bảo độ kín khít cho xupap khi đóng, ở một số động cơ, xupap được thiết kế sao cho có thể xoay quanh đường tâm khi làm việc.
3.2.4.4. Xupap xoay :
Để xupap mòn đều, tránh kẹt và cháy cục bộ ở mặt vát nghiêng khi động cơ làm việc, xupap xả thường được thiết kế xoay đi sau mỗi lần đóng, mở. Các kỹ thuật làm xupap xoay: xupap tự xoay và xoay cưỡng bức.
3.2.4.4.1. Xupap tự xoay : ( Hình 3.13)
Trên đuôi xupap lắp đĩa lò xo C, móng hãm dẹt A và cốc B . Khi con đội D đẩy cốc B, nó sẽ nâng móng hãm A lên, lúc ấy lực lò xo xupap qua đĩa C ép lên móng hãm A và qua cốc B đẩy con đội tỳ vào cam, đuôi xupap ở trạng thái tự do trong lòng cốc B nó có thể được xoay tự do nhờ tác dụng của dòng khí qua xupap và sự rung động liên tục của động cơ.
Hình 3.13 Xupap tự xoay a – Cấu tạo, b – Nguyên lý hoạt động.
1 – Móng A khóa chân xupap, 2 – Khe hở, 3 – Móng A nối lòng xupap, 4 – Triệt tiêu khe hở.
3.2.4.4.2. Thường sử dụng một số kỹ thuật:
Đặt đầu cò mổ tì lệch tâm trên đuôi xupap ( hình 3.14) . Nhờ lực ma sát tại đầu cò mổ khi mở sẽ tạo ra một mômen làm xoay xupap.
Hình 3.14. Cò mở lệch đường tâm xupap 1 – Cò mổ, 2 – Thân xupap
Bộ xoay cưỡng bức xupap xả ( hình 3.15 ) được đặt ở đĩa lò xo phía dưới củaxupap. Bộ xoay gồm có thân (1) bên trong có xẻ các rãnh nghiêng
lắp bi (2 và lò xo khứ hồi (9). Phía trên là đĩa tì (8) và đĩa lò xo (3) được lắp vào thân và khoá bằng vòng hãm (4).)
Hoạt động: khi cò mổ đẩy mở xupap làm tăng lực lò xo (5) qua đĩa lò xo (3) và đĩa tì (8) ép đẩy viên bi trượt trên rãng nghiêng của thân, nén lò xo khứ hồi.
Hình 3.15. Cơ cấu xoay cưỡng bức xupap
1 – Thân, 2 – Viên bi, 3 – Đĩa lò xo, 4 – Vòng hãm, 5 – Lò xo xupap, 6 – Đĩa Lò xo, 7 – Móng hãm, 8 – Đĩa tì, 9 – Lỗ khứ hồi, 10 - Ống dẫn hướng xupap.
Chuyển dịch của bi tạo ra mômen xoay các đĩa (8) và (3), qua đó làm xoay lò xo (5), đĩa lò xo (6), móng hãm (7) xoay xupap đang trạng thái mở. Sau khi đóng xupap lò xo khứ hồi được giải phóng lại đẩy viên bi (2) về vị trí ban đầu, chuẩn bị cho lần xoay xupap ở thời điểm mở tiếp sau.