- Rèn rời từng phần: Rèn riêng từng phần cổ trục, cổ biên má khuỷu rồ
5.5. Các phương pháp bố trí xupáp và dẫn động xupáp trong hệ thống phân phối khí trên động cơ bốn kỳ
thống phân phối khí trên động cơ bốn kỳ
Trên động cơ bốn kỳ việc thải sạch khí thải và nạp đầy môi chất mới được thực hiện bởi cơ cấu cam - xupáp, cơ cấu cam - xupáp được sử dụng rất đa dạng. Tùy theo cách bố trí xupáp và trục cam, người ta chia cơ cấu phân phối khí của động cơ bốn kỳ thành nhiều loại khác nhau như cơ cấu phối khí dùng xupáp treo, cơ cấu khí xupáp dùng xupáp đặt…
Cơ cấu phân phối khí dùng xupáp đặt:
1 - Trục cam 2 - Thân máy 3 - Con đội 4 - Đế lò xo xupáp 5 - Lò xo xupáp 6 - Ống dẫn hướng 7 - Xupáp
8 - Bánh răng dẫn động bánh răng cam.
Hình 5.2. Cơ cấu phân phối khí dùng xupáp đặt
Xupáp được lắp ở một bên thân máy ngay trên trục cam và được trục cam dẫn động xupáp thông qua con đội. Xupáp nạp và xupáp thải của các xilanh có thể bố trí theo nhiều kiểu khác nhau. Bố trí xen kẽ hoặc bố trí theo từng cặp một. Khi bố trí từng cặp xupáp cùng tên, các xupáp nạp có thể dùng chung đường nạp trở thành đơn giản hơn.
Nguyên lý làm việc: Khi các cam bắt đầu tác động vào đuôi con đội đẩy
con đội đi lên, mở cửa nạp hoặc cửa xả thông với xilanh để thực hiện hút hỗn hợp nhiên liệu hoặc không khí sạch vào xilanh hay xả sạch khí cháy ra khỏi xilanh. Khi cam thôi tác động lên con đội thì dưới sức căng của lò xo đưa xupáp về vị trí ban đầu đóng kín cửa nạp hay cửa xả.
Ưu điểm của phương án này là chiều cao động cơ giảm xuống, kết cấu của nắp xilanh đơn giản, dẫn động cũng dễ dàng.
Nhược điểm: Buồng cháy không gọn, có dung tích lớn. Đường nạp và đường thải bố trí trên thân máy phức tạp cho quá trình chế tạo thân máy, tổn thất lớn.
Cơ cấu phân phối khí dùng xupáp treo:
Xupáp nắp trên máy và được trục cam dẫn động thông qua con đội, đũa đẩy, đòn bẩy hoặc trục cam dẫn động trực tiếp xupáp.
Khi dùng xupáp treo có ưu điểm là kết cấu buồng cháy nhỏ gọn, diện tích mặt truyền nhiệt nhỏ vì vậy giảm được tổn thất nhiệt.
Đường nạp, thải đều bố trí trên nắp xilanh nên có điều kiên thiết kế để dòng khí lưu thông tốt hơn, đồng thời có thể bố trí xupáp hợp lý nên có thể tăng được tiết diện lưu thông của dòng khí.
Tuy vậy cơ cấu phân phối khí sử dụng xupáp treo còn tồn tại một số khuyết điểm như dẫn động xupáp phức tạp, làm tăng chiều cao của động cơ, kết cấu nắp xilanh phức tạp, khó chế tạo.
1 - Trục cam 2 - Con đội 3 - Đũa đẩy 4 - Vít điều chỉnh 5 - Trục đòn bẩy 6 - Đòn bẩy 7 - Đế chặn lò xo 8 - Lò xo xupáp 9 - Ống dẫn hướng 10 - Xupáp 11- Dây lai 12 - Bánh răng trục khuỷu 13 - Cò mổ.
Hình 5.3. Cơ cấu phân phối khí dùng xupáp treo.
Nguyên lý làm việc: Khi động cơ làm việc, trục cam 1 quay tác động lên con đội đẩy con đội 2 đi lên thông qua đũa đẩy 3 làm cho cò mổ 13 ấn vào đuôi xupáp làm xupáp đi xuống để mở cửa nạp hoặc cửa xả. Lúc này lò xo xupáp 8 bị nén lại. Khi cam thôi tác dụng lên con đội dưới sức căng của lò xo làm xupáp trở về vị trí ban đầu đóng kín cửa nạp hoặc cửa xả.
Để dẫn động xupáp, trục cam có thể bố trí trên nắp xilanh để dẫn động trực tiếp hoặc dẫn động qua đòn bẩy. Trường hợp trục cam bố trí ở hộp trục khuỷu hoặc ở thân máy, xupáp dẫn động gián tiếp qua con đội, đũa đẩy, đòn bẩy…
Khi bố trí xupáp treo thành hai dãy, dẫn động xupáp rất phức tạp. Có thể sử dụng phương án dẫn động xupáp dùng một trục cam dẫn động gián tiếp qua các đòn bẩy hoặc có thể dùng hai trục cam dẫn động trực tiếp.
So sánh ưu nhược điểm giữa cơ cấu phân phối khí xupáp đặt với xupáp treo:
Tiêu hao nhiều nhiên liệu ở tốc độ cao, hệ số nạp giảm. Đồng thời khó tăng tỷ số nén nhất là khi tỷ số nén của động cơ lớn hơn 7, 5 rất khó bố trí buồng cháy. Vì vậy cơ cấu phân phối khí xupáp đặt thường chỉ dùng cho một số động cơ xăng có tỷ số nén thấp, số vòng quay nhỏ. Khi dùng cơ cấu phân phối khí xupáp treo, buồng cháy rất gọn diện tích mặt truyền nhiệt nhỏ vì vậy giảm được tổn thất nhiệt.
Cơ cấu phân phối khí xupáp treo còn làm cho dạng đường nạp, thải tốt hơn khiến
Hình 5.4. Các phương pháp dẫn động Xupáp
a) - Các xupáp được đặt xen kẽ trên nắp xilanh.
b) - Xupáp dẫn động trực tiếp.
c) - Xupáp dẫn động thông qua đòn bẩy. sức cản khí của động cơ giảm nhỏ đồng thời do có thể bố trí xupáp hợp lý hơn nên có thể tăng được tiết diện lưu thông của dòng khí.
Do các ưu điểm trên cơ cấu phân phối khí xupáp treo được dùng rộng rãi trong các động cơ cường hóa (động cơ có công suất lớn và vòng quay lớn).
Tuy vậy cơ cấu phân phối khí xupáp treo tồn tại một số nhược điểm. Nhược điểm cơ bản là dẫn động phức tạp và làm tăng chiều cao của động cơ. Ngoài ra bố trí treo làm cho kết cấu của nắp máy trở nên hết sức phức tạp và rất khó đúc. Để hoàn thành một chu trình công tác về mặt lý thuyết thì các xupáp mở và đóng ở thời điểm khi piston ở ĐCT hay ĐCD. Nhưng trong thực tế thời điểm đóng mở của các xupáp không trùng với vị trí khi piston ở các điểm chết mà các xupáp đều được điều khiển mở sớm và đóng muộn. Việc các xupáp được mở sớm đóng muộn nhằm mục đích nạp đầy và thải sạch (hay tăng tỷ số nạp và thải sạch). Thời điểm đóng mở của các xupáp được biểu thị bằng góc quay của trục khuỷu so với vị trí của các điểm chết gọi là góc phân phối khí. Để đảm bảo góc phân phối khí, khi lắp bánh răng trục cam cần đảm bảo lắp đúng dấu theo quy định của nhà chế tạo.
Trục cam mang các cam dẫn động cơ cấu phân phối khí. Trong một số trường hợp, trên trục cam còn có các bộ phận của hệ thống khác như : cam của bơm chuyển nhiên liệu, hay bánh răng dẫn động bơm dầu…
Thông thường mỗi đoạn trục cam tương ứng với mỗi xilanh, đặt trên hai ổ đỡ trượt có bạc tròn liền định vị trên thân máy. Các ổ đỡ này thường là loại ghép, bên trong có một lớp hợp kim chống ma sát hoặc có thể dùng loại ổ đỡ không tháo được với bạc lót bằng đồng thanh.
Hình 5.5. Cấu tạo trục cam
1 - Đầu trục cam; 2 - Cổ trục; 3 - Cam nạp và cam thải.
Số cam trên trục cam phụ thuộc vào số xilanh, số kỳ, cách khởi động, cách đảo chiều cách phun dầu. Ví dụ: Số cam của xilanh 4 kỳ gồm: Một cam hút, một cam xả, một cam khởi động, một cam dầu. Nhưng nếu cam dầu không đối xứng đảo chiều trực tiếp, khởi động bằng khí nén có 8 cam.
Số cam của một xilanh động cơ hai kỳ đảo chiều bằng hộp số, khởi động bằng điện, cam dầu đối xứng, quét khí cong thì có một cam.
Để tránh bị kẹt, độ dịch dọc của trục thường được giới hạn bằng một vai tựa tì vào thân máy. Tại đây có đệm điều chỉnh điểm tì. Chiều dài các ổ đỡ được chọn trong khoảng : l ≈ (1,0 ÷ 1,5)dpp
Hình 5.6. Cam ghép.
a) Ghép bằng đai ốc có rãnh côn b) Ghép cam bằng then.
Đối với động cơ lớn, tốc độ thấp, trục cam dài có thể chế tạo thành hai đoạn rồi ghép lại với nhau. Để tiện cho việc lắp ghép, các cam có thể chế tạo riêng rồi lắp ghép vào trục bằng đai ốc (hình 5.6).
Đôi khi người ta chế tạo quả cam rời, các nửa cam được lắp vào trục phân phối nhờ các đai ốc đặc biệt có rãnh tiện hình côn. Có trường hợp khác, cam là loại liền nhưng được lắp ghép vào một bạc lót có đai ốc hõm ở mặt bên. Những loại kết cấu này cho phép ta thay đổi được góc lệch giữa các cam . Hình dạng của quả cam được xác định bởi qui luật chuyển động đó chọn của xupáp và các thời điểm phân phối khí. Ở các động
cơ có tốc độ quay cao, với đường kính xilanh dưới 200 mm, Cam thường được rèn hoặc đúc liền với trục cam (hình 5.7).
Hình 5.7. Cam rời lắp trên trục.
Trục cam thường được truyền động bằng bánh răng từ trục khuỷu. Cách bố trí cam sẽ xác định thứ tự nổ của động cơ. Chu vi của mỗi cam sẽ quyết định thời gian và tốc độ mở của mỗi xupáp.
Trục cam thường được làm bằng thép hợp kim có hàm lượng các bon thấp. Một số động cơ tốc độ cao sử dụng trục cam bằng hợp kim hoặc thép hợp kim đã xêmentit hóa với cam và ngõng trục được tôi cứng. Vật liệu làm trục cam thường là thép 15, 25, 35 rèn thành thép hợp kim Crôm, Niken. Cổ trục và mặt cam được tôi mặt ngoài. Các cổ đỡ của trục được xêmentit hoá, để tăng khả năng chống mài mòn.
Biên dạng cam: Là mặt dẫn mở trên cam để tránh sự chậm trễ trong cơ
cấu truyền động xupáp. Nó gồm có phần đỉnh để mở xupáp và phần lưng đế đóng xupáp.
Hình 5.8. Biên dạng cam
a) Cam có góc ở xa nhỏ ; b) Cam có góc ở xa rộng; c) Cam có góc ở xa rộng và góc đi xa nhỏ
- Cam có biến dạng cong khiến cam mở nhanh hơn lúc đầu và mở rộng như vậy cho đến khi mặt đóng của cam chịu tác động của đệm đẩy xupáp (hình 5.8a).
- Cam khiến xupáp đóng mở nhanh với khoảng thời gian mở rộng kéo dài (hình 5.8b).
- Cam được sử dụng ở động cơ tốc độ cao để tạo ra thời gian mở lâu tối đa cho xupáp (hình 5.8c).
Các dạng cam thường gặp: Cam lồi, cam tiếp tuyến và cam lõm
Hình 5.9. Các dạng cam thường gặp.
a, b) Cam lồi; c) Cam tiếp tuyến; d) Cam lõm.
5.7. Cụm xupáp
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 piston. Xupáp làm việc được theo chiều thẳng đứng nhờ vào ống dẫn hướng xupáp.
Mặt xupáp được vát 30o hoặc 45o để được đóng kín với đế xupáp và dẫn nhiệt truyền nhiệt khi xupáp đóng. Xupáp được làm bằng thép chịu nhiệt vì xupáp nạp phải chịu nhiệt độ khoảng 400oC, xupáp xả phải
chịu nhiệt độ 500 ÷ 800oC. Hình 5.10. Kết cấu nấm xupáp.
a) Nấm bằng; b) Nấm lõm; c, đ, e) Nấm nồi; d ) Nấm xuáp được làm rỗng.
Cấu tạo: Xupáp được chia làm 3 phần: Phần nấm, phần thân và phần
đuôi.
- Phần nấm: Chịu tác dụng của áp suất khí thể và chịu tác dụng của lực
quán tính nên khi làm việc chịu va đập lớn gây biến dạng.
- Phần thân (cán): Thân xupáp có hình trụ. Trong động cơ thấp tốc thân
và mặt xupáp chế tạo rời, rồi được hàn lại với nhau. Trong quá trình chế tạo yêu cầu đường tâm của thân vuông góc và trùng với đường tâm mặt xupáp. Để tránh xupáp lọt vào trong xilanh có các biện pháp sau:
+ Chế tạo từ hai nửa hình chóp cụt hoặc chốt hãm hình chữ U để nối thân xupáp với lò xo. Khi ta ấn đế lò xo rồi lắp lại hai nửa hình chóp cụt (hoặc chốt hãm hình chữ U) vào. Kết cấu này rất phổ biến.
+ Trong một số động cơ, xupáp có thể chế tạo rỗng, phía trong đổ đầy kim loại Natri để phân bổ đều nhiệt độ.
- Phần đuôi: Có nhiệm vụ định vị lò xo khi lắp ráp. Để tránh hao mòn
vòng đế xupáp. Trên đuôi xupáp đục lỗ để lắp chốt. Khi nắp chốt ta ấn đế lò xo rồi nắp chốt vào.
Hình 5.11. Kết cấu đuôi xupáp.
1 - Vành hãm; 2 - Đĩa tựa lò xo.
Lò xo xupáp: Lò xo xupáp có nhiệm vụ giữ cho xupáp đóng kín sát với
đế xupáp không cho không khí nén trong buồng đốt bị lọt ra ngoài. Lò xo giữ cho các chi tiết làm việc của các xupáp nạp và xả theo sự điều khiển của các vấu cam nhờ lực lò xo trong khi các xupáp chuyển động do đó đóng mở xupáp chính xác theo biến dạng cam.
- Lò xo xupáp có từ 7 đến 14 vòng, hai đầu mài bằng. Người ta thường dùng hai lò xo lồng vào nhau, chiều xoắn của hai lò xo trái ngược nhau để xupáp không bị nghiêng, vừa giảm chiều dài lò xo mà vẫn đủ sức căng. Ngăn cản được dao động riêng của xupáp khi động cơ hoạt động ở tốc độ cao.
Do lò xo làm việc trong điều kiện tải trọng thay đổi rất
Hình 5.12. Kết cấu lò xo xupáp
A, b. c) Lò xo xoắn ốc hình trụ; d) Lò xo hình côn.
đột ngột. Vì vậy vật liệu chế tạo thường dùng là thép C65, C65A...
Đế xupáp: Đế xupáp có thể đúc liền với nắp xilanh.Trong động cơ có phụ
tải thấp, nắp xilanh nằm ngang, hoặc chế tạo rời bằng kim loại tốt chịu được nhiệt độ cao, chịu được axít trong khi cháy, chịu được va chạm mạnh và liên tục không biến dạng. Sau khi gia công lắp vào bằng ren hoặc lắp nóng.
Ống dẫn hướng:
Ống dẫn hướng dùng để dẫn hướng cho thân xupáp chuyển động thẳng và truyền nhiệt cho xupáp ra ngoài. Làm việc trong điều kiện bôi trơn kém, mài mòn nhiều...
Để rễ sửa chữa và tránh hao mòn cho thân máy hoặc nắp xilanh ở vị trí lắp xupáp, người ta lắp ống dẫn hướng trên các chi tiết máy này. Xupáp được lắp vào ống dẫn hướng theo chế độ lắp lỏng.
Ống dẫn hướng thường chế tạo bằng các loại gang hợp kim có tổ chức peclít. Trong một số động cơ cao tốc còn dùng ống dẫn hướng bằng hợp kim đồng thanh nhôm. Loại ống dẫn hướng này dẫn nhiệt tốt, khi thiếu dầu bôi trơn cũng không xảy ra hiện tượng kẹt xupáp.