8. ĐẶC ĐIỂM, KẾT CẤU CỦA HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÍ.
8.1.4. Dẫn động xupap
Hình8.3. Sơ đồ bố trí hai hàng xupap và dẫn động cháy trực tiếp
bằng trục cam đặt trên nắp xy lanh.
Để dẫn động xupap, trục cam cĩ thể bố trí trên nắp xylanh qua địn bẩy (hình 8.2a và b) để dẫn động trực tiếp hoặc dẫn động qua địn bẩy (hình 8.2c). Trường hợp trục cam bố trí ở họüp trục khuỷu (hình 8.2d) hoặc ở thân máy, xupap được dẫn động gián tiếp qua con đội, đũa đẩy... Dẫn động trực tiếp xupap tuy khơng cần đến các chi tiết trung gian như con đội, đũa đẩy... nhưng cơ cấu dẫn động cam trở thành phức tạp. Do đĩ động cơ ơ tơ máy kéo ngày nay (kể cả động cơ chữ V) đa số vẫn dùng kiểu dẫn động gián tiếp.
- Khi bố trí xupap thành 2 dãy (một dãy xupap nạp và một dãy xupap thải) ống thải và ống nạp bố trí về hai phía như (hình 8.3a). xupap cĩ thể đặt nghiêng đi một gĩc nhất định đối với đường tâm xylanh để cĩ thể tăng đường kính nấm xupap và dễ bố trí đường thải, đường nạp trong xylanh. Cách bố trí này thường dùng cho động
cơ xăng cĩ buồng cháy bán cầu hoặc ơ van. Một số động cơ diesel, chữ V như động cơ Tatơra của Tiệp Khắc cũng dùng kiểu bố trí xupap này.
Nếu bố trí xupap song song với đường tâm xylanh cĩ thể tăng kích thước của nấm xupap bằng cách đúc lõm nắp xylanh để tạo thành buồng cháy trên nắp xylanh (hình 8.3b) khi bố trí xupap theo thành 2 dãy, dẫn động rất phức tạp, cĩ thể sử dụng phương án như (hình 8.3a và b) dùng một trục cam dẫn động gián tiếp qua các địn bẩy hoặc cĩ thể dùng hai trục cam dẫn động trực tiếp như phương án trên (hình 8.3c).
Trong các động cơ cĩ đường kính xylanh lớn, người ta thường dùng 4 xylanh để tăng tiết diện lưu thơng và để giảm đường kính nấm xupap, khiến cho xupap khơng bị quá nĩng và tăng được sức bền. Các xupap cùng tên cĩ thể bố trí thành hai dãy (hình 8.4a) hoặc một dãy (hình 8.4b)
Hình 8.4. Bố trí xupap và các phương án dẫn động xupap
trong động cơ dùng 4 xupap cho một xylanh
Ngồi ra để đảm bảo dẫn động các xupap cùng tên đĩng mở đồng thời người ta bố trí trục cam dẫn động các xupap cùng tên này bằng các xupap cùng tên này bằng các địn bẩy hình nạng (hình 8.4c) địn ngang (hình 8.4d) hoặc hai cam cùng tên trực tiếp dẫn động.
Trong các loại động cơ xăng tốc độ cao như Vilitxơ của Mỹ hoặc các loại xe đua của xưởng ơ tơ Gorơki và Matxcơva, xupap bố trí theo kiểu hỗn hợp, xupap nạp đặt trên thân cịn xupap thải lắp chéo trên nắp xylanh như (hình 8.5).
Hình 8.5. Bố trí xupap hỗn hợp. 8.2. PHƯƠNG ÁN DẪN ĐỘNG TRỤC CAM.
Dẫn động trục cam thường dùng một trong các kiểu sau : + Dẫn động bằng bánh răng trụ thẳng hoặc nghiêng. + Dẫn động bằng đai răng.
+ Dẫn động bằng hệ thống bánh răng cơn. + Dẫn động bằng xích.
Hai kiểu đầu dùng cho động cơ cĩ trục cam đặt trên thân máy hoặc hộp trục khuỷu.
Hai kiểu sau dùng cho loại trục cam đặt trên nắp máy. Bánh răng trục thường dùng là bánh răng nghiêng để ăn khớp êm. Trong nhiều trường hợp để giảm tải trọng động lên trục cam người ta làm bánh răng trục cam bằng gỗ phíp, chất dẻo phía trong cĩ ép bạc thép.
Khi cam gần trục khuỷu, người ta dùng một cặp bánh răng trụ (hình 8.6a). Khi trục cam xa trục khuỷu, phải bố trí thêm các bánh răng trung gian (hình 8.6b) hoặc dùng xích răng (hình 8.6c).
Trong trường hợp dẫn động bằng bánh răng cơn (hình 8.6d) phải bố trí trục trung gian và ổ chắn di động dọc trục để đảm bảo ăn khớp.
Dẫn động bằng xích cĩ ưu điểm là gọn nhẹ cĩ thể dẫn động được trục cam ở khoảng cách lớn nhưng giá thành chế tạo cao, hơn nữa khi phụ tải và tốc độ thay đổi đột ngột xích dễ bị rung động. Sau một thời gian sử dụng xích thường bị nhão, gây nên tiếng ồn và làm sai lệch pha phân phối khí. Để giữ cho xích luơn được căng người ta dùng cơ cấu căng xích vì đơi khi cịn dùng bản dẫn hướng để chống rung xích (hình 8.6e).
Hình 8.6. Các phương án dẫn động trục cam. 8.3. KẾT CẤU CÁC CHI TIẾT TRONG CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ.
8.3.1. Xupap
+ Nhiệm vụ: Các xupap cĩ nhiệm vụ đĩng mở các đường nạp và thải để thực hiện quá trình thay đổi khí.
+ Điều kiện làm việc: Xupap làm việc trong điều kiện chịu áp lực khí thể rất lớn và nhiệt độ cao, nhất là xupap thải.
Ví dụ: ở động cơ xăng, nhiệt độ xupap thải cĩ thể cĩ thể đến 800÷8500C cịn ở động cơ Diesel thì cĩ thể từ 500÷6000C. Ngồi ra xupap cịn bị ăn mịn hố học do các hơi axit trong khi cháy, đặc biệt là đối với xupap thải. Khi đĩng mở, mâm xupap va đập với đế nên bị biến dạng cong vênh và rổ bề mặt nấm.
Vận tốc lưu động của dịng mơi chất qua xupap lớn nên dễ gây ăn mịn cơ học bề mặt nấm và đế.
-Vật liệu chế tạo :
Đối với xupap thải : Thường sử dụng các hợp kim chịu nhiệt cĩ các thành phần như Si,Cr, Mn, ... Đơi khi để tiết kiệm vật liệu cĩ thể chỉ chế tạo nấm bằng hợp kim chịu nhiệt rồi hàn với thân bằng thép thơng thường. Để chống mịn và rỉ người ta thường mạ lên bề mặt làm việc của xupap một lớp mỏng kim loại cơban dày khoảng 1,5÷2,5 mm.
Đối với xupap nạp: Do được dịng khí nạp làm mát nên nhiệt độ làm việc của xupap nạp thường thấp hơn nhiệt độ của xupap thải (khoảng 300÷4000C). Vì vậy vật liệu là các thép hợp kim Cr hay Cr -Ni như : 4CX; 37XC, 40XH..
- Kết cấu như (hình 8.7)
Kết cấu của xupap chia thành 3 phần chính : nấm xupap, thân xupap và đuơi xupap.
• Nấm xupap :
Phần làm việc quan trọng nhất của nấm xupap là mặt cơn, cĩ gĩc vát α=15÷450, gĩc α càng nhỏ thì tiết diện lưu thơng của dịng khí động càng lớn, đối với xupap nạp, nhưng dịng khí càng bị ngoặc làm tăng sức cản lưu động của dịng khí. Mặt khác nếu α
càng nhỏ thì bề mặt nấm càng mỏng, độ cứng vững của mặt nấm càng kém. Do đĩ dễ bị cong vênh, tiếp xúc khơng kín khít với đế xupap ảnh hưởng đến độ bền và điều kiện làm việc của
nấm. Ngược lại, khi gĩc α lớn bề mặt nấm xupap sẽ dày và bền hơn, dịng khí thải đi ra cũng dễ dàng hơn. Do đĩ để tạo điều kiện làm việc xupap người ta thường thiết kế gĩc α như sau :
α = 450 đối với xupap thải, 300≤α ≤ 450 đối với xupap nạp.
Hình8.7. Kết cấu của xupap
Gĩc của mặt cơn trên nấm xupap cịn thường làm nhỏ hơn gĩc của mặt cơn trên đế xupap khoảng 0,5÷10 để xupap cĩ thể tiếp xúc với đế theo vịng trong ở mép ngồi của mặt cơn (nếu như mặt đế xupap rộng hơn mặt cơn của xupap). Làm như vậy cĩ thể đảm bảo bề mặt tiếp xúc của nấm và đế xupap được kín khít dù bề mặt xupap bị biến dạng nhỏ.
Chiều rộng b của mặt cơn trên nấm xupap thường bằng: (0,05÷0,12).dn, chiều dày nấm thường khoảng (0,08÷0,12) dn. Trong đĩ dn là đường kính nấm xupap. Chiều rộng b của mặt cơn phụ thuộc vào độ cứng của vật liệu làm xupap và đế xupap. Nếu độ cứng của xupap lớn hơn của đế xupap thì chiều rộng của xupap phải lớn hơn của đế và ngược lại. Như vậy mới bảo đảm xupap bị hao mịn, sửa chữa dễ dàng hơn. Kết cấu của nấm xupap thường cĩ 3 loại chính sau:
+ Nấm bằng : Ưu điểm của loại nấm bằng là chế tạo đơn giản cĩ thể sử dụng cho xupap thải hoặc xupap nạp. Vì vậy đa số động cơ đều dùng loại xupap này (hình 8.7a).
+ Nấm lõm : (hình 8.7b) Xupap nấm lõm cĩ đặc điểm là bán kính gĩc lượn giữa phần thân xupap và phần nấm rất lớn nên thường dùng cho xupap nạp để cải thiện tình trạng lưu thơng của dịng khí đồng thời cĩ thể tăng độ cứng vững cho phần nấm. Để giảm trọng lượng của xupap khi tăng gĩc lượn mặt dưới của nấm được khoét sâu thành dạng loa kèn. Nhược điểm của xupap lõm thường dùng làm xupap nạp của động cơ máy bay và một số động cơ cường hố.
+ Nấm lồi: (hình 8.7d, e) Dạng nấm lồi cải thiện được tình trạng lưu động của vùng khí thải (vì mặt nấm lồi lên) nên hạn chế
khu vực tạo thành xốy khí thải khí. Vì vậy xupap thải của tất cả các động cơ cường hố đều làm theo dạng nấm lồi. Để giảm trọng lượng người ta khoét lõm phía trên phần nấm như hình 8.7d. Nhược điểm của loại này là chế tạo khĩ và bề mặt chịu nhiệt lớn. Ngồi ra trong một số động cơ cường hố xupap thải thường làm rỗng (hình 8.7c) bên trong chứa Na. Khi xupap làm việc Na chảy thành thể lỏng tạo điều kiện truyền nhiệt từ nấm xuống thân xupap được nhanh và tốt hơn.
• Thân xupap :
Thân xupap thường cĩ đường kính thích đáng để dẫn hướng tốt, tản nhiệt tốt và chịu được lực nghiêng khi xupap đĩng mở. Để tránh hiện tượng xupap mắc kẹt trong ống dẫn hướng khi bị đốt nĩng đường kính của thân xupap ở phần nối tiếp với nấm thường làm nhỏ đi một ít hoặc khoét rộng lỗ của ống dẫn hướng ở phần này như (hình 8.7d,e).
• Đuơi xupap : (Hình8.8)
Đuơi xupap thường cĩ dạng đặc biệt để cĩ thể lắp ghép với đĩa lị xo. Các phương pháp lắp đuơi xupap với đĩa lị xo được giới thiệu trên (hình 7.8).
Khi trục cam dẫn động trực tiếp xupap đuơi xupap lắp với lị xo theo phương án trên (hình 7.8a).
Khi dẫn động xupap bằng con đội hay địn bẩy, đuơi xupap trực tiếp va đập với con đội và địn bẩy do đĩ mặt trên của đuơi phải tơi cứng. Để tránh mịn đơi khi người ta tráng lên mặt đuơi một lớp thép hợp kim cứng (thép stelit) hoặc chụp vào phần đuơi một nắp bằng thép hợp kim cứng (hình 8.8c,d).
Hình 8.9. Kết cấu phần đuơi xupap và phương pháp lắp ghép với lị xo xupap
Để tăng tuổi thọ cho xupap và đảm bảo xupap làm việc tốt cĩ thể thiết kế cơ cấu đặc biệt để xoay xupap quanh đường tâm của nĩ, khiến cho xupap vừa di động lên xuống vừa xoay trịn. Tốc độ quay thường nhỏ, vài chục lần đĩng mở xupap mới xoay một vịng.
Hình 8.9. Giới thiệu cơ cấu xoay dùng ống lĩt hình cơn. Trong kết cấu này mĩng hãm khơng lắp trực tiếp với đĩa lị xo mà lắp trực
tiếp với ống lĩt hình cơn. Ống lĩt nâng lắp trong lỗ hình cơn của đĩa lị xo và chỉ tiếp xúc với mặt cơn của lỗ bằng vành phía trên ống lĩt.
Hình 8.9b. Giới thiệu cơ cấu đặc biệt dùng để xoay xupap khi xupap mở ra. Cơ cấu này được lắp trên xe Trường Sơn và xe Zil 130
Hình 8.10. Cơ cấu xoay xupap
1- Lị xo; 2- Đệm tỳ; 3-Vịng lị xo;
4- Đế; 5- Bi cầu; 6- Lị xo hồi vị
8.3.2. Đế xupap:
+ Nhiệm vụ: Đế xupap cĩ nhiệm vụ làm giảm lực va đập của xupap vào xylanh, giảm hao mịn cho thân máy và nắp xylanh.
+ Vật liệu chế tạo: Đế xupap làm bằng thép hợp kim hoặc gang trắng.
+ Kết cấu (hình 8.10).
Trong các động cơ dùng thân máy hoặc nắp xylanh bằng gang đế xupap nạp và thải. Kết cấu đế xupap thường chỉ là một vịng hình trụ trên cĩ vát cơn. Mặt ngồi đế xupap cĩ thể là mặt trụ trên cĩ tiện rãnh đàn hồi để lắp cho chặt (hình 8.10 a); cĩ khi mặt ngồi cĩ độ cơn nhỏ (khoảng 120 ; hình 8.10b). Loại đế xupap hình cơn thường khơng ép sát đáy mà để một khe hở nhỏ hơn 0,04 mm (hình 8.10d) để sau này nếu đế bị lỏng ra ta cĩ thể đĩng lún sâu hơn để lắp chặt hơn. Các loại đế trên (hình 8.10e, g) thường ít gặp. Các loại đế này sau khi ép vào xylanh rồi phải cán để kim loại biến dạng sít vào mép đế, loại đế trên hình 8.10c, lắp ghép bằng ren. Chiều dày của đế nằm trong khoảng (0,08÷0,15)d0, chiều cao đế nằm trong khoảng (0,18÷0,25)d0 (d0 - đường kính họng đế).
8.3.3. Ống dẫn hướng xupap
+ Nhiệm vụ: Dẫn hướng cho xupap, để sửa chữa và tránh hao mịn cho thân máy hoặc nắp xylanh.
+ Vật liệu chế tạo: Ống dẫn hướng thường được chế tạo bằng các loại gang hợp kim cĩ tổ chức peclit: GX21-40, GX 24- 48, hoặc bằng gang dẻo được nhiệt luyện. Trong các động cơ hiện đại, ống dẫn hướng thường được ép bằng bột kim loại gốm sau đĩ ngấm tẩm dầu bơi trơn, loại này chịu mịn rất tốt và khơng cần bơi trơn. Tuy vậy giá thành chế tạo rất cao nên chỉ dùng cho động cơ cao tốc. Ngồi ra động cơ cao tốc cịn dùng ống dẫn hướng bằng hợp kim đồng thanh nhơm. Loại này dẫn nhiệt tốt khi thiếu dầu bơi trơn khơng bị xảy ra hiện tượng kẹt xupap. Động cơ tăng áp dùng ống dẫn hướng bằng đồng, vì loại động cơ này rất khĩ tổ chức bơi trơn thân xupap vì nhiệt độ xupap thải rất cao, dầu bơi trơn dễ bị cháy, cịn ở xupap nạp khí nạp cĩ áp suất lớn thổi qua làm khơ dầu nhờn bám trên thân.
+ Kết cấu ống dẫn hướng: (hình 8.11)
Thường dùng là loại hình trụ (hình 8.11a) và loại cĩ vai (hình 8.11b). Loại hình trụ cĩ tính cơng nghệ đơn giản, ống dẫn hướng được đĩng ép vào thân máy một khoảng nhất định. Cịn loại cĩ vai thì tính cơng nghệ kém nhưng dễ lắp ghép, ống dẫn hướng được đĩng lút đến vai. Ngồi hai loại trên, đơi khi cịn dùng loại ống dẫn hướng mặt ngồi cĩ độ cơn, nhỏ (1 :100) đĩng ép vào lỗ cơn trên thân máy hoặc nắp xylanh. Chiều dày của ống thường vào khoảng 2,5÷4 mm. Chiều dài phụ thuộc vào đường kính và chiều dài thân xupap thường bằng (1,75÷2,5).dn (dn -đường kính nấm xupap). Độ dơi khi ép ống dẫn hướng bằng (0,503÷0,005) d1 (d1 -đường kính ngồi ống dẫn hướng).
Hình8.11. Ống dẫn hướng xupap.
Khe hở giữa thân xupap với ống dẫn hướng phụ thuộc vào điều kiện nhiệt độ và kết cấu xupap. Đối với xupap cĩ thân to, khe hở thường phải bằng 0,004dt , đối với xupap nạp và 0,006 đối với xupap thải. Đối với loại xupap cĩ thân nhỏ, khe hở tương đối lớn hơn: (0,005÷0,01) dt đối với xupap nạp và (0,008÷0,012)dt đối với xupap thải, dt - là đường kính thân xupap.
Trước khi lắp ráp, ống dẫn hướng bao giờ cũng được chế tạo dưới dạng bán thành phẩm, ống chỉ được gia cơng chính xác đường kính ngồi. Sau khi ép ống dẫn hướng vào nắp xy lanh hay thân máy, ta phải dùng dao doa để doa lỗ dẫn hướng đến đúng kích thước qui định.
Trong các động cơ cỡ lớn, các xupap được lắp trên các ổ đế riêng như hình 8.12. Với mục đích thuận tiện cho cơng việc tháo xupap hay thay thế xupap mà khơng phải tháo nắp xylanh. Trong kết cấu này, ống dẫn hướng được đúc liền với ổ đế. Các ổ đế bắt chặt với nắp xylanh bằng bulơng. Hình (8.12a) giới thiệu loại ổ đế rời cĩ làm mát phần ống dẫn hướng. Về vật liệu chế tạo ổ đế được chế tạo bằng gang trắng cĩ tính năng chịu nhiệt cao. Trong kết cấu ở hình(8.12b) nấm xupap được chế tạo bằng thép hợp kim, lắp rời với thân xupap bằng ren.
Hình 8.12. Ổ trục xupap của động cơ Diesel tĩnh tại và tàu thuỷ
Nhược điểm của kiểu kết cấu này là làm giảm tiết diện lưu thơng của cửa thải và đường nạp. Ngày nay các phương tiện tháo lắp dùng cần trục cũng như trình độ cơng nghệ chế tạo phát triển nhanh nên tháo lắp nắp xylanh của động cơ cỡ lớn khơng cịn khĩ khăn phức tạp nữa nên các kết cấu đế, rời cũng dần dần ít sử dụng.
+ Bơi trơn ống dẫn hướng :
Cĩ 3 phương án thường sử dụng để bơi trơn ống dẫn hướng :
- Bơi trơn ống dẫn hướng bằng phương pháp bơi trơn cưỡng bức dầu nhờn cĩ áp suất cao được cung cấp từ hệ thống bơi trơn của động cơ.
- Bơi trơn bằng phương pháp vung toé dầu từ dàn cị mổ, đây là phương pháp bơi trơn đơn giản nhất dùng để bơi trơn ống dẫn hướng
và đây cũng chính là phương án phổ biến nhất vì giữa thân xupap và ống dẫn hướng khơng cần địi hỏi phải bơi trơn nhiều bơi trơn bằng phương pháp nhỏ dầu vào ống dẫn hướng. Khi thiết kế