Như chúng ta đã biết, ngày nay với tốc độ phát triển mạnh mẽ của nền khoa học công nghệ. Các hãng sản xuất ôtô như Hyundai, Honda, Toyota, Ford…đã lần lượt đưa ra nhiều sản phẩm với nhiều động cơ có những tính năng hiện đại. Một trong những tính năng đó là việc áp dụng sự điều khiển tự động vào hệ thống phân phối khí trong động cơ. Với sự điều khiển này sẽ làm thay đổi được góc phân phối khí phù hợp với từng dãi tốc độ của động cơ, đảm bảo được yêu cầu của cuộc sống đặt ra như việc
Trang 11
sử dụng động cơ có tính kinh tế cao, tiết kiệm được lượng nhiên liệu tối thiểu khi sử dụng. Động cơ phải phát huy được hết công suất ở những dãi tốc độ khác nhau. Ngoài ra động cơ khi làm việc cũng đảm bảo nhiều qui định về mức độ ô nhiễm môi trường của các quốc gia cũng như yêu cầu về kinh tế của người tiêu dùng. Tuy các biện pháp tiến hành cải tiến của các hãng sản xuất khác nhau nhưng đều tìm cách điều khiển và chế tạo các cơ cấu để dẫn động cơ cấu phối khí gần với giá trị tính toán lý thuyết lý tưởng.
Ngoài những đặc điểm và cấu tạo giống cơ cấu phối khí cổ điển. Cơ cấu phối khí hiện đại còn có những bộ phận đóng vai trò điều khiển thay đổi thời điểm đóng mở của xupap theo tốc độ của động cơ. Nhờ đó mà cơ cấu phối khí hiện đại luôn luôn làm việc ở điều kiện tối ưu nhất. Đối với một cơ cấu phân phối khí hiện đại sẽ khác cơ cấu phối khí cổ điển ở những bộ phận sau: Bộ cảm ứng tốc độ quay, cơ cấu thực hiện thay đổi thời điểm đóng mở xupap, hệ thống điều khiển điện tử. Bộ cảm ứng có nhiệm vụ giám sát sự thay đổi tốc độ quay của động cơ và truyền tín hiệu về bộ điều khiển điện tử. Cơ cấu thay đổi thời điểm đóng mở của xupap có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ bộ điều khiển điện tử và thực hiện theo những tín hiệu nhận được. Bộ điều khiển điện tử có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ bộ cảm ứng, xử lí tín hiệu và truyền tín hiệu đến cơ cấu thực hiện thay đổi thời điểm đóng mở của xupap.
Bên cạnh hãng Toyota và hãng Ford thì hãng Hyundai đã chú tâm cải tiến hệ thông phân phối khí và đã cho ra đời nhiều thế hệ ôtô với tính năng hiện đại. Trong đó có hệ thống điều khiển xoay trục cam hay gọi là hệ thống điều khiển CVVT. Với hệ thống này nhằm thay đổi góc phân phối khí của các xupap phù hợp với từng dãi tốc độ làm việc của động cơ được ra đời trong những năm gần đây. CVVT là hệ thống điều khiển thời điểm phối khí phù hợp với chế độ làm việc của động cơ. CVVT là cụm từ viết tắt từ tiếng anh: Continusly Varaible Valve Timing (Thay đổi thời điểm phối khí thông minh). Đối với các động cơ thông thường thì có thời điểm phối khí là cố định và thường đựơc tính theo điều kiện sử dụng của động cơ. Vì nó được dẫn động trực tiếp từ trục khuỷu đến cam thông qua cặp bánh răng hoặc xích. Ngược lại, với các động cơ có hệ thống CVVT thì góc phân phối có thể thay đổi theo điều kiện làm việc của động cơ. Hệ thống CVVT sử dụng áp suất thuỷ lực điều khiển bằng van điện từ để xoay trục
Trang 12
cam, thay đổi thời điểm phối khí để đạt được thời điểm phối khí tối ưu . Hệ thống này có thể xoay trục cam một góc 40o tính theo góc quay trục khuỷu để đạt thời điểm phối khí tối ưu cho các chế độ hoạt động của động cơ dựa vào các tín hiệu từ cảm biến và điều khiển bằng ECU động cơ. Do đó hệ thống này được đánh giá rất cao vì nó cải thiện quá trình nạp và thải, tăng công suất động cơ, tăng tính kinh tế và giảm ô nhiễm môi trường. Việc sử dụng các bộ phận thay đổi thời điểm và qui luật nâng của xupap, làm cho cơ cấu phối khí hiện đại luôn hoạt động ở điều kiện tối ưu. Điều đó đã làm cho động cơ sử dụng cơ cấu phối khí hiện đại có suất tiêu hao nhiên liệu thấp, việc gia tốc thay đổi từ tốc độ thấp sang tốc độ cao xảy ra nhanh chóng, ít gây ô nhiễm và đạt công suất cao. Xe có sử dụng cơ cấu phân phối khí hiện đại sẽ chạy êm dịu trong thành phố cũng như trên quốc lộ, dễ dàng chuyển từ tốc độ thấp sang tốc độ cao.
Tuy nhiên bên cạnh những ưu điểm đó thì cơ cấu phối khí hiện đại có nhược điểm là: Có nhiều chi tiết, cụm chi tiết, cần chế tạo với độ chính xác cao. Hệ thông điều khiển phức tạp. Việc bảo quản, sửa chữa khó khăn, giá thành cao.
Trang 13
Chương 3: Khảo sát hệ thống phân phối khí của động cơ Theta II – 2.4 GDI 3.1. Giới thiệu động cơ Theta II – 2.4 GDI
Hình 3.1: Động cơ Theta II – 2.4 GDI.
Hyundai Motor đã giới thiệu động cơ Theta – II 2.4 GDI, động cơ phun xăng trực tiếp đầu tiên của hãng trước các kỹ sư tham dự Hội nghị Annual Hyundai-Kia International Powertrain lần IX tại Hàn Quốc. Động cơ Theta – II 2.4 GDI cho công suất cực đại đạt 188 mã lực tại 6000 vòng/phút. Mô men xoắn cực đại đạt 241 Nm tại 4000 vòng/phút. Theta – II 2.4 GDI là động cơ xăng với 4 xylanh được đặt thẳng hàng, 16 xupap. Các xupap đựợc dẫn động trực tiếp từ cam. Cam được đặt trên nắp máy, gồm 2 trục cam dẫn động xupap (DOHC). Theta – II 2.4 GDI tích hợp hệ thống điều khiển van biến thiên lưu lượng dầu OCV (Oil-Flow Control Valve) cho phép tối ưu hóa thời gian, tiết kiệm được nhiên liệu. Bên cạnh đó động cơ còn tích hợp hệ thống cảm biến nhiệt độ dầu OTS (Oil Temperature Sensor) và dùng hệ thống phun xăng điện tử theo chu kỳ. Với những cải tiến này mang lại cho động cơ hoạt động tốt nhất ở mọi chế độ làm việc.
Trang 14
Với hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp động cơ có thể hoạt động với hiệu suất cao hơn, sử dụng ít nhiên liệu hơn và tạo ra ít khí thải hơn, tạo ra nhiều công suất hơn so với động cơ phun nhiên liệu truyền thống.
Bảng thông số động cơ Theta II – 2.4 GDI.
Dung tích 2359 cc
Công suất cực đại 200PS/6300rpm
Mô men xoắn cực đại 25,2kgf.m/4000rpm
Tính năng
Hệ thống phun nhiên liệu áp suất cao
Phun nhiên liệu trực tiếp
Hệ thống điều khiển van biến thiên kép
Dẫn động sên cam
Tỷ số nén 11,3
Kiểu phun nhiên liệu Trực tiếp vào buồng đốt Đường kính pít tông x Hành
trình 88 x 97 mm
Mức tiêu hao nhiên liệu 330 (+2%) g/kwh
Trang 15
3.2. Hệ thống phân phối khí
Hệ thống phân phối khí của động cơ được dùng là xupap treo. Gồm 2 trục cam dẫn động trực tiếp xupap (cam nạp và cam xả). Trục cam dẫn động xupap được đặt trên nắp máy. Ở đầu mỗi trục cam được lắp các bánh xích dẫn động. Các bánh xích trục cam được dẫn động bằng xích, có khả năng chống mụi than tốt hơn. Để thuận tiện cho việc căng xích, ở hệ thống phân phối khí của động cơ được lắp bộ tự động căng xích bằng thủy lực.
Mỗi xylanh của động cơ được bố trí bốn xupap trên đỉnh buồng đốt (2 xupap nạp và 2 xupap thải). Các xupap khác tên được đặt nghiêng và góc giữa chúng là 39o. Các đường ống nạp thải của động cơ được bố trí sang 2 bên của động cơ. Để cơ cấu phân phối khí làm việc đạt hiệu suất cao ở mọi dãi tốc độ. Ở đầu các trục cam còn lắp thêm bộ phận xoay cam nhằm đáp ứng được các pha phân phối của xupap phù hợp với tốc độ hoạt động cơ.
Trang 16
3.2.1. Cơ cấu dẫn động trục cam
Trong động cơ trục cam được bố trí phía trên nắp xi lanh và dây xích dùng để dẫn động trục cam thường là loại xích răng cao tốc làm bằng thép hợp kim có sức bền rất cao khi chuyển động gây ra tiếng động ở mức thấp nhất. Khi xích ăn khớp dễ bị rung động và sau một thời gian sử dụng xích thường bị rão gây ra tiếng ồn và sai lệch pha phân phối khí do đó phải tăng cường sức bền cho sên cam để làm việc đạt hiệu qủa tốt nhất. Dùng hệ thống điều tiết thời điểm mở xupap đúng lúc sao cho momen đạt giá trị nhỏ nhất hoặc tốc độ trung bình và hiệu suất nhiên liệu tăng lên.
Bánh răng dẫn động xích được lắp ở đầu trục khuỷu. Phía đầu trục khuỷu có biên độ dao động xoắn lớn vì vậy khi lắp theo kiểu này làm cho hệ thống phân phối khí chịu dao dộng xoắn làm sai lệch pha phân phối và chịu tải trọng phụ do dao động đó gây nên. Ngoài ra khi trục cam bị ảnh hưởng của dao động xoắn thì góc phun sớm hoặc góc đánh lửa sớm cũng bị ảnh hưởng. Tuy vậy khi lắp bánh răng ở đuôi trục khuỷu sẽ làm cho kết cấu dẫn động trở nên phức tạp.
Trang 17
Khi động cơ bắt đầu hoạt động, xích dẫn động làm việc và căng theo. Trong quá trình hoạt động lâu dài các mắt xích sẽ bị mòn làm cho độ chùng của xích tăng lên vượt quá giới hạn cho phép. Khi xích chùng đến giới hạn đó dầu có áp suất cao được đưa vào qua van bi. Dưới áp lực dầu, pít tông bị ép về phía bên phải đẩy thanh dẫn hướng xích đi theo và xích được căng ra. Trên pít tông có khía rãnh, các khía rãnh này ăn khớp với rãnh trên chốt hãm. Nhờ đó pít tông sẽ được giữ lại tại vị trí có độ chùng cho phép khi áp lực dầu không còn tác dụng. Muốn cho pít tông trở lại vị trí ban đầu ta nới lỏng chốt hãm cho pít tông trượt trên các rãnh của chốt hãm nhờ vào lực lò xo.
Hình 3.4: Bộ căng xích
1-Lò xo vấu hãm; 2-Vấu hãm; 3-Pít tông; 4-Lò xo; 5-Van bi; B-Bộ căng xích; C-Tay căng xích.
3.2.2. Sơ đồ bố trí xupap và nguyên lý làm việc của cơ cấu phân phối khí
Cơ cấu phân phối khí của động cơ dùng xupap treo. Với kiểu bố trí này làm cho buồng cháy động cơ gọn, diện tích mặt truyền nhiệt nhỏ nên giảm được tổn thất nhiệt. Khả năng chống kích nổ được cải thiện nhiều. Cơ cấu phân phối khí dùng xupap treo làm cho đường thải và đường nạp thanh thoát hơn làm cho sức cản khí động giảm nhỏ. Mỗi xylanh của động cơ được bố trí bởi 4 xupap (2 hút, 2 xả) làm tăng diện tích tiết diện lưu thông và giảm được đường kính nấm xupap, khiến cho các xupap không bị quá nóng và tăng được sức bền. Các xupap được bố trí thành 2 dãy (một dãy xupap nạp và một dãy xupap thải). Các đường ống nạp và ống thải bố trí về hai phía. Theo cách bố trí này trong động cơ xupap được đặt nghiêng đi
Trang 18
một góc 19,5o so với đường tâm xylanh do đó dễ dàng bố trí đường thải và đường nạp trong nắp xylanh. Tuy nhiên phương án này lại làm cho việc dẫn động xupap trở nên phức tạp nhiều. Để khắc phục nhược điểm này ở động cơ dùng hai trục cam (cam nạp và cam thải) để dẫn động trực tiếp xupap.
Nguyên lý làm việc: Nguyên lý làm việc của cơ cấu phân phối khí được chia làm
hai quá trình cơ bản sau: Quá trình vấu cam đẩy mở xupap và quá trình lò xo giãn đóng kín xupap.
Hình 3.5: Sơ đồ bố trí xupap.
1 – Ống dẫn hướng; 2 – Lò xo; 3 – Đĩa chặn lò xo; 4 – Con đội; 5 - Xupap; 6 – Trục cam; 7 – Bu lông cố định bánh răng cam; 8 – Cánh xoay; 9 – Đĩa xích dẫn động trục cam; 10 – Xích dẫn động trục cam; 11 – Xéc măng;
12 – Pít tông; 13 – Đế xupap; 14 – Vấu cam nạp; 15 – Đế chặn lò xo dưới; 16 – Đường ống nạp; 17 – Đường ống thải; 18 – Vấu cam thải;
Trang 19
Quá trình vấu cam đóng mở xupap: Động cơ làm việc làm trục khuỷu quay làm cho đĩa xích dẫn động cơ câu phân phối khí lắp ở đầu trục khuỷu thong qua xích dẫn động trung gian (10) làm cho đĩa xích (9) lắp ở đầu trục cam làm cho trục cam đống mở xupap quay theo. Vấu cam tiếp xúc với con đội (4) ép lò xo (2) nén lại và đòng thời xupap chuyển đi xuống mở cửa nạp khi đó nạp môi chất mới vào buồng đốt. Cửa thải thực hiện quá trình thải khí cháy ra ngoài môi trường.
Quá trình lò xo giãn đóng kín xupap: Khí trục cam quay dẫn tới vấu cam di chuyển cho đến khi đỉnh của vấu cam vượt qua đường tâm con đội. Lúc này con đội (4) cùng với các móng hãm đẩy xupap tịnh tiến về ban đầu thực hiện quá trình đóng kin xupap. Như vậy thực hiện chu kỳ liên tục.
3.3. Hệ thống thay đổi góc phân phối khí 3.3.1. Pha phân phối khí của động cơ 3.3.1. Pha phân phối khí của động cơ
Trong động cơ để thải sạch sản vật cháy ra khỏi xi lanh thì xupap xả không đóng tại vị trí ĐCT mà đóng chậm hơn một chút ứng với góc là 6o và mở sớm xupap xã trước khi pít tông tới ĐCD ứng với một góc 42o. Trong quá trình nạp phải đảm bảo cho đường thông qua xupap nạp đã được mở rộng dần trong khi pít tông đi xuống trong kỳ một, xupap nạp được mở sớm hơn một chút trước khi pít tông đến ĐCT ứng với một góc 29o và đóng muộn xupap nạp ứng với một góc 19o. Như vậy vào cuối kỳ bốn và đầu kỳ một cả xupap nạp và xả đều mở. Giai đoạn cùng mở của các xupap nạp và xả được gọi là thời kỳ trùng điệp của các xupap. Thời kỳ này có tác dụng tốt đến việc thải sạch khí xả và nạp đầy môi chất mới vào xylanh nhờ tác dụng hút của dòng khí xả trên đường ống thải. Giai đoạn tính từ lúc mở đến lúc đóng các xupap (tính bằng góc quay trục khuỷu) được gọi là pha phân phối khí. Ảnh hưởng của pha phân phối khí đến quá trình nạp và thải của động cơ bốn kỳ được thể hiện qua hệ số nạp thêm λ1 và hệ số quét buồng cháy λ2. Các hệ số này làm cho giá trị của hệ số khí nạp ηv và hệ số khí sót γr tính theo pha phân phối khí lý thuyết được sát với giá trị thực trong động cơ thực tế. Hiện nay chưa có một phương pháp giải tích chặt chẽ để xác định λ1 và λ2 theo thời điểm mở và đóng các xupap nạp và xupap xả, λ1 và λ2 được chọn dựa vào số liệu thực nghiệm. Vì vậy cần phải tìm hiểu kỹ các pha phân phối của
Trang 20
những động cơ đã chế tạo và ảnh hưởng của chúng đến diễn biến quá trình nạp và thải của động cơ.
Hình 3.6: Pha phân phối khí
3.3.2. Ảnh hưởng của pha phân phối khí đến quá trình hoạt động của động cơ
Mở xupap nạp sớm: Thời gian bắt đầu mở xupap nạp cần chọn sao cho khi áp
suất trong xylanh (do giãn nở của khí sót) hạ xuống thấp hơn áp suất môi chất trên đường nạp, thì tiết diện lưu thông của xupap nạp đã đủ lớn để môi chất mới đi vào.
Đóng xupap nạp muộn: Xupap nạp cũng thường đóng muộn hơn so với động cơ
truyền thống, sau khi pít tông đã vượt qua ĐCD nhằm nạp thêm môi chất mới vì ở ĐCD tiết diện lưu thông qua xupap còn mở lớn, áp suất trong xylanh còn thấp hơn áp suất không khí. Quán tính của môi chất mới từ đường nạp vào xylanh vẫn còn. Do đó có thể kéo dài quá trình nạp thêm một giai đoạn sau ĐCD cho đến khi áp suất trong xylanh trở nên lớn hơn áp suất không khí. Việc đóng xupap nạp muộn đã được chứng minh là giảm tổn thất bơm tới 40% trong điều kiện tải từng phần và giảm nitric oxide