Chương 4 :GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ CƠ CẤU PHỐI KHÍ
4.1. Giới thiệu tổng quát về cơ cấu phân phối khí
4.1.4. Kết cấu của cơ cấu phân phối khí dùng xupap
4.1.4.1 Phương án bố trí xupap
Các động cơ đốt trong có cơ cấu phân phối khí dùng xupap ngày nay đều bố trí xupap theo một trong hai phương án chủ yếu là bố trí xupap đặt và bố trí xupap treo. Động cơ Diesel sử dụng cơ cấu xupap treo vì dung tích buồng cháy của động cơ Diesel nhỏ và tỷ số nén rất cao. Động cơ xăng có thể dùng xupap treo hoặc xupap đặt, nhưng ngày nay cũng thường dùng cơ cấu phân phối khí xupap treo
a/ Cơ cấu phân phối khí xupap treo:
- Cấu tạo: Cơ cấu phân phối khí kiểu xupap treo có trục cam đặt trong thân máy gồm có các chi tiết sau:
+ Trục cam, con đội, đũa đẩy, trục cò mổ, gối đỡ trục cò mổ, cò mổ, xupap, lò xo xupáp, đế lò xo, móng hãm, ống dẫn hướng xupáp, bệ đỡ xupáp, vít điều chỉnh khe hở nhiệt xupáp, phớt…
+ Khác với cơ cấu phân phối khí có trục cam đặt trên nắp máy, cơ cấu phân phối khí có trục cam đặt ở thân máy cần có đũa đẩy để truyền lực trung gian giữa con đội với cò mổ
Hình 4.4: Sơ đồ cấu tạo cơ cấu xupap treo.
Trường hợp cơ cấu phân phối khí chỉ có một trục cam đặt trên nắp máy, xupap có thể bố trí một hàng hoặc hai hàng.
Ngoài ra có thể dùng hai trục cam dẫn động riêng từng loại xupap, một trục cam dẫn động cho xupap nạp và một trục cam dẫn động cho xupap xả. Khi trục cam đặt trên nắp máy, cơ cấu phân phối khí xupap treo không có đũa đẩy và được dẫn động bằng xích hoặc đai truyền có răng.
- Nguyên lý làm việc:
+ Khi động cơ làm việc, trục khuỷu dẫn động trục cam quay, khi mấu cam tác động vào con đội làm con đội, đũa đẩy đi lên tác động vào cò mổ làm cò mổ quay, đẩy xupap đi xuống (mở xupap) thực hiện quá trình nạp hoặc thải khí. Lúc này lò xo xupáp bị nén lại.
+ Khi cam tiếp tục quay qua vị trí tác động thì lò xo xupáp làm cho xupap đóng kín vào bệ đỡ, cò mổ, đũa đẩy, con đội trở về vị trí ban đầu, xupap đóng.
Hình 4.5: Sơ đồ nguyên lý của cơ cấu xupap treo. b/ Cơ cấu phân phối khí xupap đặt:
- Cấu tạo: Toàn bộ hệ thống được đặt ở thân máy gồm có: lò xo, xupap, con đội, trục cam, cửa nạp và cửa xả. Phía trên con đội được lắp bu lông để điều chỉnh các khe hở xupap, lò xo lồng vào xupap. Chi tiết này được hãm vào đuôi của xupap bằng móng hãm. Trục cam do trục khuỷu dẫn động thông qua đĩa xích hoặc cặp bánh răng.
Hình 4.7: Sơ đồ cấu tạo cơ cấu xupap đặt.
- Nguyên lý hoạt động: Khi động cơ làm việc, tỷ số truyền khi quay của trục khuỷu là 1/2, bộ phận này sẽ hoạt động như sau:
+ Khi đỉnh cam chưa có lực tác dụng vào đuôi xupap, lò xo sẽ đẩy xupap đi xuống, lúc này cửa nạp hoặc cửa xả sẽ được đóng lại.
+ Khi đỉnh cam quay lên, con đội sẽ tác dụng vào xupap và nâng xupap đi lên. Khi đó, cửa nạp hoặc cửa xả sẽ từ từ được mở ra. Khi con đội ở vị trí tiếp xúc cao nhất của cam thì cửa nạp hoặc cửa xả sẽ được mở lớn nhất.
+ Trục cam tiếp tục quay, khi đỉnh cam quay xuống thì lò xo căng ra đẩy xupap đi xuống và đóng dần cửa nạp hoặc cửa xả. Cửa nạp và cửa xả sẽ đóng hoàn toàn khi con đội có vị trí tiếp xúc thấp nhất.
Phân phối khí xupap đặt sẽ lặp lại quá trình hoạt động nếu động cơ vẫn tiếp tục làm việc.
Hình 4.8: Sơ đồ nguyên lý làm việc của cơ cấu xupap đặt. c/ Ưu, nhược điểm:
Cơ cấu phân phối khí Xupap treo Xupap đặt
Ưu điểm – Do xupap bố trí trong phần không gian của xi lanh dạng treo nên buồng cháy rất gọn nên tăng được tỷ số nén của động cơ và giảm được kích nổ ở động cơ xăng.
– Dòng khí lưu động thuận tiện nên tổn thất ít, tạo điều kiện xả sạch và nạp đầy.
– Toàn bộ cơ cấu phối khí được bố trí ở thân máy, do đó chiều cao của động không lớn.
– Kết cấu nắp xylanh đơn giản, dẫn động xupap dễ dàng
– Số chi tiết của cơ cấu ít nên lực quán tính của cơ cấu nhỏ, bề mặt cam và con đội ít bị mòn.
Nhược điểm – Có nhiều chi tiết hơn cơ cấu phân phối khí dùng
– Vì buồng cháy không gọn nên dễ xảy ra cháy
xupap đặt và được bố trí cả ở thân máy và nắp máy nên làm tăng chiều cao của động cơ.
– Lực quán tính của các chi tiết tác dụng lên bề mặt cam và con đội lớn hơn. – Nắp máy của động cơ phức tạp hơn nên khó gia công chế tạo.
kích nổ.
– Do dòng khí nạp và khí xả lưu thông khó nên hệ số nạp không cao.
– Diện tích truyền nhiệt lớn -> Tính kinh tế kém. – Tiêu hao nhiên liệu, hệ số nạp giảm khi ở nhiệt độ cao.
– Khó tăng tỷ số nén.
4.1.4.2. Phương án dẫn động trục cam
Để dẫn động xupáp, trục cam có thể bố trí trên nắp xy lanh được dẫn động trực tiếp hay dẫn động qua đòn bẩy. Trường hợp trục cam bố trí ở hộp trục khuỷu hoặc ở thân máy, xupáp được dẫn động qua con đội, đũa đẩy, đòn bẩy… Dẫn động trực tiếp xupáp tuy không cần đến các chi tiết máy trung gian như con đội, đũa đẩy… nhưng cơ cấu dẫn động trục cam cũng rất phức tạp. Chính vì vậy, động cơ ô tô, máy kéo ngày nay (kể cả động cơ chữ V) đa số vẫn dùng kiểu dẫn động xupáp gián tiếp (động cơ chữ V thường dùng một trục cam đặt giữa hai hàng xy lanh để dẫn động, như thế làm cho kết cấu của động cơ rất gọn)
a/ Truyền động bằng bánh răng:
Hình 4.9: Dẫn động trục cam bằng bánh răng
1: Bánh răng trục cam; 2: Dấu đặt trục cam; 3: Bánh răng trục khuỷu; 4: Cò mổ; 5: Chốt bi; 6: Lò xo; 7: Xupap; 8: Đũa đẩy; 9: Con đội;
10: Mấu cam; 11: Trục cam; 12: Cam.
Phương pháp này dùng cho những động cơ có trục cam đặt ở thân máy, khoảng cách giữa các trục không lớn. Có hai kiểu dẫn động bằng bánh răng:
- Kiểu ăn khớp trực tiếp:
Loại này bánh răng trục khuỷu và bánh răng trục cam ăn khớp trực tiếp với nhau, khi đó hai trục quay ngược chiều nhau
- Kiểu có bánh răng trung gian: Bánh răng trục khuỷu và trục cam không ăn khớp trực tiếp mà thông qua một bánh răng trung gian, khi đó hai trục quay cùng chiều với nhau
b/ Truyền động bằng đai:
Hình 4.11: Dẫn động trục cam bằng dây đai
Loại này thường dùng cho các động cơ có trục cam đặt ở nắp máy, khoảng cách giữa các trục lớn. Phương pháp dẫn động này có đặc điểm:
- Quá trình truyền động êm, ít tiếng ồn - Không cần phải bôi trơn
- Dễ chế tạo, giá thành giảm
c/ Truyền động xích:
Hình 4.12: Dẫn động trục cam bằng truyền động xích
1: Xích cam; 2: Bộ căng xích; 3: Thanh chống trượt; 4: Thanh bảo vệ; 5: Trục cam xả; 6: Trục cam nạp; 7: Đệm; 8: Xupap nạp; 9: Xupap xả;
10: Bánh xích cam; 11: Dấu đặt cam; 12: Bánh xích trục khuỷu.
Loại này thường sử dụng trên các động cơ có khoảng cách giữa hai trục khá lớn. Trục cam có thể đặt ở thân máy hoặc nắp máy. Loại này có đặc điểm:
- Quá trình truyền động gây tiếng ồn
- Phải bôi trơn thường xuyên cho xích và bánh xích - Phải chăm sóc thường xuyên bộ truyền động
4.2. Cấu tạo các chi tiết trong cơ cấu phân phối khí4.2.1. Xupap 4.2.1. Xupap
a/ Nhiệm vụ:
Các xupap có vai trò đóng mở cửa nạp và cửa thải để thực hiện quá trình trao đổi khí. Việc thải sạch và nạp đầy môi chất sẽ giúp tiết kiệm nhiên liệu và tăng công suất làm việc của động cơ.
Hình 4.13: Các chi tiết trong cụm xupap b/ Điều kiện làm việc:
- Chịu phụ tải động và phụ tải nhiệt rất lớn. Lực khí thể tác dụng lên mặt nấm xupap có thể lên tới 10.000-20.000N, trong động cơ cường hóa và tăng áp có thể lên đến 30.000N
- Xupap phải làm việc trong môi trường có áp suất lớn và nhiệt độ cao nhất là ở xupap xả. Cụ thể: ở động cơ xăng nhiệt độ của xupap khi làm việc là khoảng 800°C đến 850°C, ở động cơ diesel là khoảng 500°C đến 600°C.
- Ở thời kỳ thải khí, nấm và thân xupap phải tiếp xúc với dòng khí thải có nhiệt độ rất cao. Đối với động cơ xăng, nhiệt độ dòng khí thải vào khoảng 1100 – 1200°C,
đối với động cơ Diezel, nhiệt độ dòng khí thải khoảng 700 – 900°C. Hơn nữa tốc độ dòng khí rất lớn (khi mới bắt đầu thải, tốc độ dòng khí thải có thể đạt đến 400 – 600 m/s) nên khiến xupap, nhất là xupap thải thường dễ bị quá nóng và bị dòng khí ăn mòn. - Chịu va đập mạnh khi xupap đóng vì thế dễ bị biến dạng. Trong nhiên liệu có lưu huỳnh nên khi cháy tạo thành axit ăn mòn mặt nấm xupap. Điều kiện bôi trơn và làm mát khó khăn
c/ Vật liệu:
Do làm việc ở điều kiện khắc nghiệt như vậy, vật liệu chế tạo xupap cũng phải có những tính chất đặc biệt như: có sức bền cơ học cao, chịu nhiệt tốt, chống được sự ăn mòn hóa học và hiên tượng xâm thực của dòng khí thải khi ở nhiệt độ cao. Vật liệu chế tạo xupap thường là thép crôm hoặc thép niken.
d/ Cấu tạo: xupap gồm 3 phần: Nấm xupap (đầu), thân xupap và đuôi xupap (hình 4.14).
Hình 4.14: Cấu tạo của Xupap
- Nấm xupap: Bề mặt làm việc quan trọng của phần nấm xupap là mặt côn, có góc độ từ 15° ÷ 45°.
+ Góc càng nhỏ tiết diện lưu thông của dòng khí càng lớn, khi góc nhỏ, mặt nấm xupap càng mỏng, độ cứng vững của mặt nấm càng kém, do đó dễ bị cong vênh, tiếp xúc không kín khít với đế xupap. Tuy nhiên, khi nhỏ quá ví dụ =0°, dòng khí lưu thông cũng bị gấp khúc.
+ Khi góc lớn, mặt nấm xupap dầy và bền hơn, dòng khí thải đi ra cũng dễ hơn. Do đó, tuyệt đại đa số xupap của các động cơ đều dùng gốc =45° để vừa đảm bảo độ bền của nấm, vừa đảm bảo tiết diện lưu thông khi mở xupap và vừa đảm bảo dòng khí lưu thông dễ dàng. Xupap nạp của một số loại động cơ cũng thường dùng góc =30°, còn hầu như xupap thải chỉ dùng một loại góc =45°
+ Nấm xupap thường có 3 loại: Nấm bằng, nấm lõm và nấm lồi
• Nấm bằng: thiết kế này khá phổ biến nhờ vào sự đơn giản trong thiết kế. Nó được ứng dụng trong cả quá trình thải và nạp xupap
• Nấm lõm (hình 4.15a,b): giảm được trọng lượng, cải thiện được sự lưu động của dòng khí và tăng được độ cứng vững nhưng chế tạo khó, bề mặt chịu nhiệt độ cao, phần lớn dễ đóng muội than. Vì vậy, loại này chỉ dùng cho xu páp nạp. • Nấm lồi (hình 4.15c): cải thiện được tình trạng lưu động của dòng khí xả. Để
giảm trọng lượng người ta khoét phía trên của nấm. Loại nấm lồi khó chế tạo, bề mặt chịu nhiệt lớn, thường dùng cho xupap xả.
Hình 4.15: Các dạng mặt nấm xupap - Thân xupap:
Thân xupap dịch chuyển trong ống dẫn hướng, điều kiện bôi trơn khó khăn, nhưng lại làm vịêc ở nhiêt độ cao, chóng bị mài mòn. Vì vậy, thân xupap thường có đường kính phù hợp để dẫn hướng tốt, tản nhiệt tốt và chịu được lực nghiêng khí xupap mở. Để hạ thấp nhiệt độ của xupap, người ta có xu hướng tăng đường kính thân xupap
và kéo dài ống dẫn hướng tới gần nấm xupap. Nhưng do phải đảm bảo tiết diện lưu thông của dòng khí và đảm bảo xupap gọn nhẹ nên thân xupap cũng không thể làm lớn quá.
Đường kính thân xu páp thường là : dt = (0,12 - 0,15) Dn Chiều dài thân xu páp lt = (2,5 - 3,5) Dn
Trong đó: Dn là đường kính nấm xu páp.
Một số động cơ, thân xu páp xả được khoan rỗng để chứa dung dịch natri thu nhiệt làm cho xu páp nguội nhanh.
Thân xu páp thường được bôi trơn bằng phương pháp văng dầu. Tuy vậy, cũng có loại không dùng dầu nhờn mà dùng dầu mazút để bôi trơn vì bôi trơn bằng dầu nhờn có nhược điểm là khi dầu cháy sẽ tạo thành muội than làm cho xu páp dễ bị bó kẹt trong ống dẫn hướng.
- Đuôi xupap:
+ Khi dẫn động xupáp bằng cơ cấu con đội đòn bẩy, đĩa lò xo lắp với xupáp bằng hai móng hãm hình côn, lắp vào đoạn có đường kính nhỏ trên đuôi xupáp. Mặt côn phía ngoài của móng hãm ăn khớp với mặt côn của lỗ đĩa lò xo, góc côn thường từ 10-15 độ. Các rãnh hãm trên đuôi xupáp có thể là rãnh hình trụ, hình côn, một rãnh hay nhiều rãnh.
+ Trong cơ cấu phân phối khí xupáp treo, trên đuôi xupáp còn lắp vòng an toàn để giữ không cho xupáp rơi vào xy lanh khi gãy lò xo xupáp. Ngoài cách lắp dùng móng hãm ra còn có nhiều cách lắp khác như dùng chốt hãm, đai ốc hãm…Lắp trên đuôi xupáp để hãm đĩa lò xo. Tuy vậy, kiểu lắp ghép dùng móng hãm cũng có ưu điểm lớn là không gây ứng suất tập trung trên đuôi xupáp, vì vậy được dùng rất rộng rãi mặc dù gia công móng hãm tương đối khó khăn.
+ Để tăng tuổi thọ cho xupáp và đảm bảo xupáp làm việc tốt (đóng kín không lọt khí), có thể thiết kế cơ cấu đặc biệt để xoay xupáp quanh đường tâm của nó, khiến cho xupáp vừa di động lên xuống vừa quay tròn. Tốc độ quay thường nhỏ, vài chục lần đóng mở, xupáp mới xoay trọn 1 vòng.
Hình 4.16: Kết cấu đuôi xupap
4.2.2. Đế xupap
a/ Nhiệm vụ: Đế xupap tiếp xúc với nấm xupap khi đóng. Để tăng tuổi thọ và thuận tiện khi sửa chữa, đế xupap thường được chế tạo rời (bằng vật liệu chịu mòn) rồi lắp vào thân máy (cơ cấu phối khí xupap đặt) hoặc lắp vào nắp máy (cơ cấu phối khí xupap treo)
b/ Vật liệu: Đối với thân máy hoặc nắp xylanh bằng nhôm, đế xupap nạp và đế xupap thải đều được, làm rời với thân máy. Còn thân máy và nắp xylanh bằng gang thì chỉ làm đế xupap rời cho xupap thải. Đế xupap thường được chế tạo bằng thép hợp kim hoặc gang trắng và được lắp có độ dôi vào thân máy hoặc nắp xylanh.
c/ Kết cấu: Đế xupap được hãm trong thân máy hoặc nắp xylanh nhờ các rãnh vòng và kim loại khi ép, nhờ tính tự hãm của bề mặt côn, hoặc nhờ kết cấu khóa do nong ống sau khi lắp. Bề mặt tiếp xúc với nấm xupap thường có ba góc khác nhau để đế và nấm xupap tiếp xúc tốt, trường hợp này ứng với góc alpha của nấm xupap bằng 45°
Hình 4.17: Một số dạng đế xupap
- Trong cơ cấu phân phối khí xupap đặt, đường thải và đường nạp bố trí trên thân máy, còn trong cơ cấu phân phối khí xupap treo, đường thải và đường nạp bố trí trong xilanh. Để giảm hao mòn cho thân máy và nắp xilanh khi chịu lực va đập của xupap, người ta dùng đế xupap ép vào hộng đường thải và đường nạp
- Kết cấu của đế xupap rất đơn giản, thường chỉ là một vòng hình trụ trên có vát mặt côn để tiếp xúc với mặt côn của nắp xupap. Một vài loại đế xupap thường dùng được giới thiệu trên hình 4.17
- Mặt ngoài của đế xupap có thể là mặt trụ trên có tiện rãnh đàn hồi để lắp cho chắc. Có khi mặt ngoài có độ côn nhỏ (khoảng 12º). Loại đế xupap hình côn này thường không ép sát đáy mà để một khe hở nhỏ hơn 0.04mm. Trên mặt côn của đế