Nếu bạn đã tìm hiểu về động cơ, hẳn các bạn đã biết về các xu páp điều khiển việc đưa hỗn hợp không khí/nhiên liệu vào động cơ và thoát ra ngoài qua hệ thống xả. Trục cam sử dụng các vấu cam tỳ lên các xu páp để mở chúng ra khi trục cam quay, các lò xo trên xu páp có nhiệm vụ đẩy chúng trở về vị trí cũ để đóng lại. Đây là một nhiệm vụ quyết định và có thể tạo ra ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất của động cơ ở tốc độ khác nhau.
bạn cách điều chỉnh trục cam của động cơ một cách hết sức ngắn gọn để động cơ hoạt động hiệu quả hơn ở những tốc độ khác nhau.
Khái niệm cơ bản về trục cam.
Bộ phận chính của một trục cam là các vấu cam. Khi trục cam quay tròn, các vấu cam sẽ điều khiển đóng mở các các xu páp nạp và xả ở thời điểm phù hợp với sự di chuyển của piston. Hình dạng của các vấu cam có liên quan trực tiếp đến cách thức động cơ làm việc ở các dải tốc độ khác nhau.
Để hiểu rõ điều này bạn hãy tưởng tượng rằng động cơ của chúng ta đang chạy vô cùng chậm chỉ khoảng từ 10 đến 20 vòng/phút (RPM) bởi vậy sẽ mất khoảng vài giây để piston hoàn thành một chu kỳ chuyển động. Nhưng trên thực tế thì một động cơ bình thường không thể chạy chậm như vậy được. Ở tốc độ thấp này, chúng ta có thể hiểu các vấu cam thực hiện chu trình như sau:
Chỉ khi piston bắt đầu chuyển động đi xuống trong hành trình nạp (từ điểm chết trên, TDC), xu páp nạp mới bắt đầu mở ra. Xu páp nạp sẽ đóng lại ngay khi piston đến điểm dưới cùng.
Xu páp xả sẽ mở ra ngay khi piston đến điểm dưới cùng (gọi là điểm chết dưới, BDC) ở cuối quá trình cháy và sẽ đóng lại khi piston hoàn thành quá trình xả khí.
Với thứ tự làm việc như vậy sẽ rất tốt cho động cơ chừng nào nó còn chuyển động ở tốc độ thấp như vậy. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu tốc độ vòng quay tăng lên. Chúng ta hãy xem.
Khi tăng số vòng quay động cơ ở lên khoảng 4000 vòng/phút, các xu páp sẽ phải mở và đóng 2000 lần mỗi phút hoặc 33 lần mỗi giây. Ở tốc độ này, piston di chuyển cực nhanh. Bởi vậy hỗn hợp không khí/nhiên liệu cũng lưu thông trong xilanh với tốc độ rất nhanh.
Khi xu páp nạp mở ra và piston bắt đầu hành trình nạp, hỗn hợp nhiên liệu/không khí bắt đầu gia tăng trong xilanh. Đúng lúc piston đến điểm cuối của hành trình nạp, hòa khí chuyển động vào xilanh với tốc độ khá nhanh. Nếu van nạp bất ngờ đóng lại, toàn bộ lượng hòa khí sẽ ngừng di chuyển và không đi vào xilanh nữa. Bằng cách để cho xu páp nạp đóng lại muộn hơn một chút, đà di chuyển nhanh của hòa khí vẫn còn duy trì sẽ đẩy hòa khí thêm vào trong xilanh đến khi piston bắt đầu hành trình nén. Bởi vậy động cơ chạy càng nhanh, hỗn hợp nhiên liệu/không khí cũng di chuyển càng nhanh và bởi vậy chúng ta càng phải để cho xu páp mở càng lâu hơn. Chúng ta cũng phải để cho xu páp nạp mở rộng hơn ở tốc độ cao, thông số này được gọi là khoảng đội của xu páp, nó bị chi phối bởi dạng hình học của vấu cam.
Hình ảnh động dưới đây đã cho thấy sự khác nhau ra sao về cách điều chỉnh thời điểm đóng mở xu páp đối với cam thông thường và cam đã có sự điều chỉnh. Chú ý kỳ xả (đường cong mầu đỏ) và kỳ nạp (đường cong mầu xanh) có sự trùng khớp nhiều hơn khi điều chỉnh trục cam. Bởi vậy trong trường hợp này, động cơ xe có xu hướng nổ to và đều hơn ở trạng thái không tải.
Sự khác nhau ở kỳ nạp và kỳ xả khi điều chỉnh trục cam
Có một vài kiểu trục cam khác nhau được lắp trên động cơ. Ở đây chúng ta để cập đến một vài kiểu trục cam phổ biến mà bạn đã từng nghe nói:
o Loại có một trục cam đặt trên (SOHC) o Loại có hai trục cam đặt trên (DOHC) o Loại trục cam có đũa đẩy
Loại trục cam này chỉ có một cam duy nhất được lắp ở nắp xilanh. Bởi vậy, nếu động cơ có 4 xilanh hoặc 6 xilanh thẳng hàng thì nó sử dụng chung một cam duy nhất; nếu là động cơ với 6 hoặc 8 xilanh xếp chữ V thì sẽ có 2 trục cam lắp ở trên nắp mỗi dãy xilanh.
Trục cam đẩy cò mổ tỳ lên đuôi các xu páp và mở chúng ra. Các lò xo có tác dụng đẩy các xu páp trở về vị trí đóng. Các lò xo này rất khỏe bởi ở tốc độ động cơ cao, các xu páp được đẩy xuống rất nhanh và chúng phải giữ cho các xu páp luôn tỳ sát vào các cò mổ. Nếu các lò xo không đủ khỏe thì các xu páp có thể không tiếp xúc với các cò mổ và phát ra tiếng lách cách. Đây là tình trạng xấu và dễ khiến cho các xu páp và cò mổ chóng mòn.
Ở động cơ có một cam hay hai cam đặt trên đều được dẫn động bởi trục khuỷu, dây curoa hoặc xích (gọi là dây curoa cam và xích truyền động trục cam). Các curoa cam hay xích cam đều cần phải được thay thế hay điều chỉnh thường xuyên định kỳ. Nếu dây curoa cam bị đứt, trục cam sẽ không làm việc và piston sẽ va vào các xu páp, làm hỏng bề mặt piston.
Hư hỏng khi piston va chạm với xu páp Động cơ có hai trục cam đặt trên.
Loại này có hai trục cam đặt trên nắp xilanh. Bởi vậy, ở động cơ có xilanh đặt thẳng hàng có hai trục cam ở trên và động cơ có xilanh đặt chữ V có bốn trục cam đặt trên. Thông thường ở động cơ có hai cam đặt trên thường có 4 xu páp
Động cơ với xilanh đặt chữ V
Lý do chính để sử dụng loại hai trục cam đặt trên bởi nó cho phép bố trí được nhiều xu páp nạp và xả hơn ở mỗi xilanh. Số xu páp nhiều hơn nghĩa là hòa khí được nạp vào nhiều hơn bởi các cửa lưu thông sẽ lớn hơn. Điều này giúp tăng đáng kể công suất của động cơ.
Cuối cùng chúng ta sẽ đề cập đến loại cam có đũa đẩy. Trục cam có đũa đẩy.
Giống như động cơ SOHC và DOHC, các xu páp cũng được lắp trên đỉnh xilanh nhưng sự khác nhau chính ở đây là trục cam ở động cơ này lại nằm bên trong block động cơ mà không nằm trên nắp các xilanh.
Các đũa đẩy của động cơ
Trục cam tác động lực đẩy lên các trục dài đặt thông qua block động cơ vào nắp xilanh để làm dịch chuyển các cò mổ. Các đũa đẩy dài này làm tăng khối lượng và thể tích của hệ thống động cơ, đồng thời cũng tăng lực đẩy lên các lò xo xu páp.
Các trục cam trong động cơ sử dụng đũa đẩy thường được dẫn động bằng các bánh răng hoặc xích. Các trục cam dùng bánh răng dẫn động thường ít hỏng hơn so với dẫn động bằng xích và thường được dùng trong động cơ với trục cam đặt ở nắp máy.
Một điều đặc biệt quan trọng trong việc thiết kế trục cam cho hệ thống là có thể thay đổi thời điểm đóng mở các xu páp (hay còn gọi là điều khiển thời điểm phối khí). Chúng ta sẽ đề cập đến vấn đề này trong kỳ tới.
2.3 Công nghệ VVTL-i của Toyota.
2.3.1 Cấu tạo
Hệ thống VVTL-i dựa trên hệ thống VVT-i và áp dụng một cơ cấu chuyển đổi vấu cam để thay đổi hành trình của xupáp nạp và xả. Điều này cho phép đạt
được công suất cao mà không ảnh hưởng đến tính kinh tế của nhiên liệu hay ô nhiễm khí xả. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 2.21 : Hệ thống VVTL-i
Cấu tạo và hoạt động của hệ thống VVTL-i về cơ bản giống như hệ thống VVT- i. Việc chuyển đổi giữa hai vấu cam có biên dạng khác nhau dẫn đến làm thay
Các bộ phận cấu thành hệ thống VVTL-i gần giống như những bộ phận của hệ thống VVT-i. Đó là van điều khiển dầu cho VVTL, các trục cam và cò mổ. Van điều khiển dầu cho VVTL điều khiển áp suất dầu cấp đến phía cam tốc độ cao của cơ cấu chuyển vấu cam bằng thao tác điều khiển vị trí van ống do ECU động cơ thực hiện.
Trục cam và cò mổ
Để thay đổi hành trình xupáp, người ta chế tạo trên trục cam 2 loại vấu cam, một loại vấu cam ứng với tốc độ thấp và vấu cam tốc độ cao cho mỗi xilanh.
Hình 2.22 : Trục cam của hệ thống VVTL.
Cơ cấu chuyển vấu cam được lắp bên trong cò mổ giữa xupáp và vấu cam. Áp suất dầu từ van điều khiển dầu của VVTL đến lỗ dầu trong cò mổ và áp suất này đẩy chốt hãm bên dưới chốt đệm. Nó cố định chốt đệm và ấn khớp cam tốc độ cao.
chốt đệm được tự do. Điều này làm cho chốt đệm có thể di chuyển tự do theo hướng thẳng đứng và vô hiệu hóa vấu cam tốc độ cao.
Trục cam nạp và xả có các vấu cam với 2 hành trình khác nhau cho từng xylanh, và ECU động cơ chuyển những vấu cam này thành vấu cam hoạt động bằng áp suất dầu.
2.3.2 Nguyên lý hoạt động
Tốc độ thấp và trung bình (tốc độ động cơ: dưới 6000 vòng/phút)
Hình 2.23 : Van điều khiển dầu VVTL, van điều khiển dầu mở phía xả.
Như trong hình minh họa ở trên, van điều khiển dầu mở phía xả. Do đó, áp suất dầu không tác dụng lên cơ cấu chuyển vấu cam.
hơn 6000C).
Hình 2.24 : Van điều khiển dầu VVTL, van điều khiển dầu đóng phía xả.
Như trong hình vẽ bên trên, phía xả của van điều khiển dầu được đóng lại sao cho áp suất dầu tác dụng lên phía cam tốc độ cao của cơ cấu chuyển vấu cam. Lúc này bên trong cò mổ, áp suất dầu đẩy chốt chặn đến dưới chốt đệm để giữ chốt đệm và cò mổ. Do đó, cam tốc độ cao ấn xuống cò mổ trước khi cam tốc độ thấp và trung bình tiếp xúc với con lăn. Nó dẫn động các xupáp bằng cam
tốc độ cao. ECU động cơ đồng thời phát hiện rằng vấu cam đã được chuyển sang vấu cam tốc độ cao dựa trên tín hiệu từ công tắc áp suất dầu.
2.4.1 Cấu tạo
Hình 2.26 : Động cơ tích hợp i-VTEC của Honda Civic.
Hệ thống VTEC nhằm cải thiện hiệu suất động cơ ở tốc độ thấp và cao bằng cách bố trí hai loại vấu cam ở mỗi xilanh, vấu cam tốc độ thấp và vấu cam tốc độ cao. Tùy theo điều kiện làm việc cụ thể của động cơ mà sử dụng loại vấu cam phù hợp.
Hình 2.27 : Cấu tạo I-VTEC
Ở dải tốc độ thấp, thời gian mở xupáp được tối ưu hóa nhằm đạt được mômen xoắn cần thiết để xe có thể di chuyển tốt nhất ở vòng tua thấp, đồng thời tiết kiệm nhiên liệu.
Ở dải tốc độ cao, độ mở xupáp và thời gian mở xupáp được tăng lên, không khí được nạp vào nhiều hơn. Hệ thống cung cấp cho xe khả năng di chuyển tốt ở tốc độ thấp và tăng hiệu suất động cơ khi tốc độ xe tăng lên.
VTEC có xilanh không tải và (5) công nghệ i-VTEC thông minh. Kết cấu của 5 modun trên khác nhau nhưng nói chung chúng giống nhau về mặt nguyên lý vì tất cả đều sử dụng loại trục cam có vấu kép, một vấu dùng khi tốc độ thấp và một vấu dùng ở tốc độ cao. Ở dải tốc độ thấp, các xupáp mở ít và thời gian mở ngắn lại do tốc độ của vấu cam giảm.
Hệ thống VTEC của Honda là một trong những công nghệ tiên tiến nhằm tối ưu hóa hiệu quả của động cơ. Được kỹ sư thiết kế động cơ của Honda, Kenichis Nagahiro sáng tạo
a./.Cấu tạo hệ thống:
Hình 2.28 :Cấu tạo của hệ thống VTEC.
1 : Trục cam ; 2 : Tấm định vị ; 3 :cò mổ thứ cấp ; 4 :Cò mổ thứ hai ; 5 : Piston đồng bộ ; 6 :Piston tác động ; 7 :Xupap hút.
Động cơ bố trí 4supap cho mỗi xylanh, bao gồm 2 supap nạp và 2 xupap thải. Điều khác biệt của kiểu này so với kiểu SOHC VTEC là chỉ bố trí hai vấu cam nạp có biên độ mở khác nhau, một cam có biên độ mở lớn và một cam có biên độ mở nhỏ. Các piston lắp đat bên trong cò mổ sẽ đẩy piston đồng bộ di chuyển cùng hướng để ép piston chặn và lò xo hoàn lực lại tạo sự liên kết hai cò mổ lại với nhau. Khi mất áp lực dầu, dưới sự hoàn lực của lò xo thông qua piston chặn sẽ được piston đồng bộ trở về làm tách 2 cò mổ mở riêng rẽ.
Hình 2.29 : Quá trình hoạt động. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ở tốc độ thấp, hai cò mổ được tách rời, vì thế supap hút thứ nhất điều khiển sự
phân phối chính trong khi đó supap hut thứ hai chỉ hé mở để ngăn chặn nhiên liệu tích luỹ ở cửa nạp. Ở tốc độ cao, hai cò mổ được liên kết thành một khối nhờ vào piston đồng bộ. Vì vậy tốc độ này cả hai supap đều chịu sư tác động của vấu
cam có biên độ mở lớn nhất. b.Quá trình hoạt động:
Kỹ thuật thay đổi thời gian phân phối khí và mức độ nâng supap được sử dụng cho động cơ nhằm mục đích tiêu thụ nhiên liệu thấp nhất nhưng công suất phát ra van cao. Với hệ thống này, đặc điểm nổi bật là với một tỷ lệ hoà khí tiết kiệm nhưng vẫn tạo ra một momen lớn ở tốc độ thấp, đồng thời ở tốc độ cao công suất phát ra lớn tương đương như động cơ bốn supap tiêu chuẩn đạt được.
• Ở tốc độ thấp:
•
Cò mổ thứ nhất và cò mổ thứ hai được tách rời, do vấu cam A và B điều khiển riêng biệt hai supap, khả năng nâng của cò mổ thứ hai rất nhỏ để hé mở supap(một supap điều khiển sự phân phối khí chính).
Hình 2.31: Cấu tạo của cơ cấu phân phối khí ở tốc độ thấp.
1:Piston tác động , 2: Piston đồng bộ , 3: Piston chặn , 4:Cò mổ thứ nhất ,5: Cò mổ thứ hai , 6: Cam thứ nhất , 7: Cam thứ hai.
nối dưới tác động của dầu thủy lực sẽ di chuyển để nối các cò mổ tốc độ thấp và tốc độ cao với nhau thành mối khối. Lúc này, các xu páp mở ra nhiều hơn và thời gian mở tăng lên. Không khí được nạp vào nhiều hơn, công suất động cơ tăng lên nhanh chóng.
• Piston tác động được bố trí bean trong cò mổ thứ nhất, nó được tác động bở áp lực dầu để di chuyển theo hướng mũi tên như hình (4). Cả hai cò mổ thứ 1 và thứ 2 được liên kết lại bằng piston đồng bộ. Ơ tốc độ này, biên độ mở của supap thứ hai giống như biên đo mở của supap thứ nhất nhằm đáp ứng cho sự hoạt động ở tốc độ cao giống như động cơ 4 supap thông thường (2 supap điều khiển phân phối khí).
Hình 2.32 : Cấu tạo của cơ cấu phân phối khí ở tốc độ cao. 1: Áp lực dầu đến, 2: Cam thứ nhất.
c./.Động cơ DOHC:
Hình 2.32 : Thời điểm xupap biến đổi và hệ thống nâng xupap trên độngcơ DOHC.
1.Trục cam , 2.Vấu cam cho tốc độ thấp v/p, 3. Vấu cam cho tốc độ cao v/p, 4. Cò mổ sơ cấp, 5. Cò mổ trung gian, 6. Cò mổ thứ cấp, 7. Piston
chuyển động ,11. Xupap thải, 12. Xupap nạp.
Hình 6 cho thấy hệ thống nâng và thời điểm xupap biến đổi được điều khiển bằng điện tử. Nó có thể thay đổi cả hai thời điểm và sự nâng xupap. Điều này sẽ cho động cơ chạy cầm chừng êm dịu của một động cơ xe ca chở khách và hiệu suất tốc độ cao của một động cơ xe đua. Động cơ DOHC bốn xupap dùng trục đỡ các cò mổ để truyền sự
chuyển động vấu cam đến các thân xupap. Trục cam có 3 vấu cam cho mỗi cặp xupap nạp và xupap thải, cò mổ thứ 3 là co mổ trung gian (ở hình 6). Nó ở giữa mỗi cặp xupap, mỗi cò mổ được gắn một piston thuỷ lực. Sự hoạt động của piston ăn khớp hay không ăn khớp với cò mổ này. Sự khác nhau ở sự thực hiện xảy ra bởi vì mỗi vấu cam thì khác nhau, vấu cam ở giữa thì cho tốc độ cao v/p.