2.4.1. Trục cam
Nhiệm vụ của trục cam là dẫn động và điều khiển việc đóng mở xupap theo đúng chu kỳ hoạt động của động cơ. Ngoài ra, trên một số động cơ trục cam còn dẫn động bơm dầu bôi trơn, bơm cao áp, bộ chia điện.
Hình 2.4: Kết cấu trụ cam
Trên trục cam có các vấu cam hút và xả cho mỗi xylanh. Thời điểm đóng mở xupap phụ thuộc vào biên dạng cam. Trục cam bao gồm các phần cam thải, cam nạp và các cổ trục. Hình dạng và vị trí của cam phối khí quyết định bởi thứ tự làm việc, góc độ phối khí và số kỳ làm việc của động cơ. Cam có thể được chế tạo liền trục hoặc có thể làm rời từng cái rồi lắp trên trục bằng then hoặc đai ốc.
Trong quá trình làm việc, các bề mặt của trục cam chịu ma sát và mài mòn rất lớn. Vật liệu chế tạo trục cam thường là thép hợp kim có thành phần cacbon thấp như thép 15X, 15MH, 12XH,...hoặc thép cacbon có thành phần trung bình như thép 40 hoặc thép 45. Các mặt ma sát của trục cam đều thấm than và tôi cứng.
2.4.2. Con đội
Con đội là chi tiết trung gian dùng để truyền chuyển động từ trục cam đến xupap thông qua đũa đẩy và cò mổ. Kết cấu của con đội thường gồm hai phần: phần dẫn hướng có dạng hình trụ và phần tiếp xúc với vấu cam.
Con đội làm việc trong điều kiện bị tác động bởi nhiều lực, áp lực khí nén, lực nén lò xo xupap và lực quán tính của các chi tiết chuyển động.
Trang 8
Con đội được làm bằng gang, bề mặt tiếp xúc với cam phải được tôi cứng bằng cách xử lý nhiệt bề mặt.
Dựa vào hình dạng của phần tiếp xúc với vấu cam, có thể chia con đội thành 3 loại: Con đội hình nấm và hình trụ, con đội con lăn và con đội thủy lực.
a) b) c) Hình 2.5: a) Con đội hình nấm; b) Con đội con lăn; c) Con đội thủy lực
2.4.3. Đũa đẩy
Đũa đẩy là chi tiết trung gian trong cơ cấu phân phối khí dẫn động gián tiếp. Truyền chuyển động và lực từ con đội đến cò mổ. Đũa đẩy dùng trong cơ cấu phân phối khí xupap treo thường là một thanh thép nhỏ, dài, đặc hoặc rỗng. Để giảm nhẹ trọng lượng, đũa đẩy thường làm bằng ống thép rỗng, hai đầu hàn với đầu tiếp xúc hình cầu (đầu tiếp xúc với con đội) và mặt cầu lõm (đầu tiếp xúc với vít điều chỉnh). Đôi khi cả hai đầu tiếp xúc của đũa đẩy đều là hình cầu.
Trang 9
Đũa đẩy thường làm bằng thép cacbon thành phần trung bình, đầu tiếp xúc làm bằng thép thành phần cacbon thấp, hàn với đũa đẩy rồi tôi đạt độ cứng HRC 50÷60.
2.4.4. Cò mổ
Cò mổ tiếp nhận lực truyền động từ đũa đẩy để đóng mở xupap theo đúng pha phân phối khí. Cò mổ được gắn trên trục của nó. Đầu tiếp xúc với đũa đẩy thường có vít điều chỉnh. Sau khi điều chỉnh khe hở nhiệt, vít này được hãm chặt bằng đai ốc. Dầu tiếp xúc với đuôi xupap thường có mặt tiếp xúc hình trụ được tôi cứng. Nhưng cũng có khi dùng vít để khi mòn có thể thay thế dễ dàng.
Hình 2.7: Cò mổ.
Mặt ma sát giữa trục và bạc lót ép trên cò mổ được bôi trơn bằng dầu nhờn chứa trong phần rỗng của trục. Ngoài ra, trên cò mổ người ta còn khoan lỗ để dẫn dầu đến bôi trơn mặt tiếp xúc của đuôi xupap và vít điều chỉnh.
Cò mổ được dập bằng thép cacbon thành phần cacbon trung bình.
2.4.5. Xupap
Xupap có nhiệm vụ cho khí nạp vào buồng đốt và xả khí cháy ra ngoài với thời gian ngắn trong một chu kỳ làm việc của pít tông. Xupap hoạt động được theo chiều thẳng đứng nhờ vào ống dẫn hướng xupap.
Miệng xupap được vác góc 30o hoặc 45o để đóng kín với đế xupap và dẫn nhiệt truyền qua xupap khi xupap đóng. Xupap được làm bằng thép chịu nhiệt vì xupap nạp phải chịu nhiệt độ khoản 400oC và xupap xả phải chịu nhiệt độ 500 ÷ 800oC.
Trang 10
Kết cấu xupap chia thành 3 phần: phần nấm, phần thân và phần đuôi. Phần nấm do chịu tác dụng của tải trọng va đạp mạnh, lực khí thể lớn và tải trọng nhiệt độ rất lớn do tiếp xúc trực tiếp với khí cháy. Phần nối giữa nấm xupap và thân thường được làm nhỏ lại để thân xupap không bị kẹt trong ống dẫn hướng vì phần dưới có nhiệt độ cao hơn phần trên. Phần đuôi được lắp ghép với đĩa chặn lò xo bằng hai móng hãm hình côn, trên đuôi xupap có các rãnh hãm có thể là rãnh hình trụ hoặc hình côn.
Miếng tăng cứng là một hợp kim: Cobalt(Co), Crom(Cr) và Tungsten (W). Hợp kim này rất cứng, chịu được mài mòn cao và chống lại sự oxy hóa ở nhiệt độ cao. Miếng tăng cứng này được hàn vào mặt xupap hay đế xupap để tăng khả năng chịu nhiệt.
Hình 2.8: Kết cấu xupap.
2.5. Một số cơ cấu phân phối khí hiện đại
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