III.1. Nhiệm vụ, phân loại và yêu cầu
III.1.1. Nhiệm vụ
Cơ cấu phân phối khí trên động cơ đốt trong cĩ nhiệm vụ thực hiện quá trình thay đổi mơi chất: thải sạch sản vật cháy ra khỏi xylanh và nạp đầy mơi chất mới (khơng khí hoặc hồ khí) vào xylanh giúp cho động cơ làm việc liên tục.
Hình 3.46. Bánh đà dạng vành (a) và bánh đà dạng chậu (b).
a) b)
Hình 3.47. Bánh đà của của động cơ dùng bộ ly hợp thủy lực.
1
III.1.2. Phân loại
Trên động cơ đốt trong thường dùng các loại cơ cấu phối khí sau:
- Cơ cấu phân phối khí kiểu supap: dùng supap đĩng mở lỗ nạp và lỗ thải.
- Cơ cấu phân phối khí kiểu van trượt: đa số sử dụng trên động cơ hai kỳ, piston đĩng vai trị như một van trượt điều khiển đĩng mở lỗ nạp và lỗ thải.
- Cơ cấu phân phối khí kiểu phối hợp: kết hợp hai kiểu trên, vừa cĩ supap vừa cĩ van trượt, được sử dụng trên các động cơ hai kỳ quét thẳng.
Trong các loại cơ cấu phân phối khí trên, cơ cấu phân phối khí kiểu supap được dùng rộng rãi nhất hiện nay. Cơ cấu phân phối khí này bao gồm các chi tiết: cặp bánh răng dẫn động, trục cam, con đội, lị xo supap, supap, ống dẫn hướng (ống kềm supap), hệ thống đũa đẩy,...
III.1.3. Yêu cầu
Để đảm bảo tính năng làm việc của động cơ, cơ cấu phân phối khí phải thoả mãn các yêu cầu: - Đĩng mở đúng thời gian quy định và đảm bảo độ kín khít.
- Độ mở đủ lớn để dịng khí lưu thơng.
- Làm việc êm dịu, tuổi thọ và độ tin cậy cao.
- Thuận tiẹân trong việc bảo dưỡng, sửa chữa động cơ và giá thành chế tạo hợp lý.
III.2. Các phương án bố trí supap và dẫn động cơ cấu phối khí
III.2.1. Phương án bố trí supap và dẫn động supap
Cácđộng cơ đốt trong dùng cơ cấu phân phối khí kiểu supap hiện nay đều bố trí supap theo hai phương án: bố trí supap đặt và bố trí supap treo.
a) Bố trí supap đặt (hình 3.48). Cơ cấu phân phối khí supap đặt thường dùng trên động cơ xăng cĩ tỷ số nén thấp và số vịng quay khơng lớn lắm.
Ưu điểm:
- Làm giảm được chiều cao động cơ.
- Kết cấu của nắp xylanh đơn giản và dẫn động supap cũng dễ dàng.
Nhược điểm:
- Buồng cháy khơng gọn. - Diện tích truyền nhiệt lớn
nên tính kinh tế của động cơ kém (tiêu hao nhiên liệu, giảm hệ số nạp,...). 1 – đế supap. 2 – supap. 3 – ống dẫn hướng supap. 4 – lị xo supap. 5 – mĩng hãm hình cơn. 6 – đĩa chặn lị xo. 7 – bulơng điều chỉnh. 8 – đai ốc hãm. 9 – con đội. 10 – trục cam.
Trong cơ cấu phân phối khí supap đặt, supap lắp ở một bên thân máy, phía trên trục cam và được trục cam dẫn động qua con đội. Xupap nạp và supap thải cĩ thể bố trí theo nhiều kiểu khác nhau: xen kẻ hoặc bố trí từng cặp một.
b) Bố trí supap treo (hình 3.49). Cơ cấu phân phối khí dùng supap treo dùng rất phổ biến trên động cơ Diesl và đa số các động cơ xăng hiện nay. Do kết cấu của loại này làm cho buồng cháy nhỏ gọn, tăng được tỷ số nén.
Ưu điểm:
- Buồng cháy rất gọn.
- Diện tích bề mặt truyền nhiệt nhỏ nên làm giảm tổn thất nhiệt.
- Đối với động cơ xăng, khi dùng cơ cấu này cĩ thể tăng thêm tỷ số nén lên thêm 0,5 ÷ 2 so với bố trí supap đặt. - Đường nạp và đường thải
thơng thống, làm cho sức cản khí động nhỏ và tăng được hệ số nạp 5 ÷ 7%.
Nhược điểm:
- Dẫn động supap phức tạp và làm tăng chiều cao động cơ.
- Làm cho kết cấu của nắp xylanh trở nên phức tạp gây khĩ khăn cho gia cơng chế tạo. Cơ cấu phân phối khí supap treo cĩ thể bố trí supap theo nhiều kiểu khác nhau. Cách bố trí phụ thuộc vào hình dạng buồng cháy và kết cấu cơ cấu phân phối khí. Động cơ cĩ đường kính xylanh nhỏ (D < 120 mm) thường dùng 2 supap cho một xylanh (một supap nạp và một supap thải), động cơ cĩ đường kính lớn hơn dùng 3 (hai supap nạp và một supap thải) hoặc 4 supap cho một xylanh (hai supap nạp và hai supap thải).
c) Dẫn động supap
Để dẫn động supap, trục cam cĩ thể bố trí trên nắp xylanh hoặc hộp trục khuỷu (OHV: Overhead Valve – supap đặt trên nắp xylanh) để dẫn động trực tiếp hay dẫn động gián tiếp qua địn bẩy (hình 3.49).
Số trục cam đặt trên nắp xylanh cĩ thể một (SOHC: Single Overhead Cam) hoặc hai trục cam
(DOHC: Double Overhead Cam). (hình 3.50).
Ngồi ra trục cam cịn bố trí ở thân máy, supap được dẫn động gián tiếp qua con đội, đũa đẩy,...
Con đội con lăn Supap
Trục cam
Đũa đẩy Cị mổ
III.2.2. Phương án dẫn động trục cam
Trục cam được dẫn động trực tiếp hoặc gián tiếp từ trục khuỷu với tỷ số truyền 1:2 cho động cơ 4 kỳ và tỷ số truyền 1:1 cho động cơ 2 kỳ. Khi lắp ghép phải chú ý dấu trên bánh răng trục cam và bánh răng trục khuỷu để khơng làm sai quy luật phối khí.
Tùy theo yêu cầu về mặt kết cấu và khoảng cách giữa trục cam với trục khuỷu, cĩ các phương án dẫn động sau:
a) Dẫn động trục cam bằng bánh răng
Khi trục khuỷu và trục cam gần nhau, trong cơ cấu phân phối khí cĩ trục cam bố trí trên thân máy hoặc ở hộp trục khuỷu thường được dẫn động bằng bánh răng. Nếu khoảng cách hai trục nhỏ thì thường dùng một cặp bánh răng, khi khoảng cách này lớn phải dùng thêm một hoặc nhiều bánh răng trung gian.
Để giảm tiếng ồn trong quá trình truyền động, cặp bánh răng trục cam và trục khuỷu thường làm răng nghiêng.
Ưu điểm
- Kết cấu đơn giản.
- Cặp bánh phân phối khí thường dùng bánh răng nghiêng nên truyền động êm và bền.
Nhược điểm
- Khi khoảng cách trục cam và trục khuỷu lớn, phương án này phải dùng thêm các bánh răng trung gian. Điều này làm cồng kềnh và phức tạp cho cơ cấu.
b) Dẫn động trục cam bằng xích
Khi trục khuỷu và trục cam đặt xa nhau ta dùng xích để truyền động. Nĩ cĩ ưu điểm là gọn nhẹ và dùng cho các trục cĩ khoảng cách lớn (hình 3.50).
SOHC DOHC DOHC
Hình 3.50. Cơ cấu phân phối khí cĩ một hoặc hai trục cam trên nắp xylanh.
Cị mổ Đũa đẩy mổ Trục cam supap Trục khủyu Dấu định vị Hình 3.51. Dẫn động trục cam bằng bánh răng.
Tuy nhiên xích cá giá thành lớn hơn so với dùng bánh. Mặt khác khi cơ cấu làm việc xích gây tiếng ồn và dễ bị rung động làm sai lệch pha phân phối khí. Để xích luơn luơn được căng, người ta phải cĩ cơ cấu căng xích.
c) Dẫn động trục cam bằng trục
Khi trục cam đặt xa trục khuỷu cĩ thể dùng trục trung gian dẫn động trục cam. Việc ăn khớp giữa trục khuỷu, trục trung gian và trục cam thơng qua 2 cặp bánh răng cơn, cĩ ổ bi đỡ chặn để trục trung gian khơng xê dịch theo chiều trục (hình 3.52).
d) Dẫn động trục cam bằng đai răng
Đa số các động cơ hiện nay đều dùng cơ cấu phân phối khí dẫn động bằng đai. Ưu điểm lớn nhất của cơ cấu này là truyền động êm dịu, đai cĩ tuổi thọ khá lớn khơng cần bảo dưỡng và giá thành thấp hơn xích nhiều lần.
Để đai luơn căng trong quá trình làm việc, khơng trượt đai làm sai quy luật phối khí người ta cũng dùng bánh căng đai (hình 3.53).
III.3. Kết cấu các chi tiết chính trong cơ cấu phân phối khí
III.3.1. Supap
a) Phân tích vai trị, điều kiện làm việc và vật liệu chế tạo
Trong quá trình làm việc, supap cĩ nhiệm vụ đĩng và mở các lỗ nạp và lỗ thải theo đúng thời điểm qui định. Hình thành nên quy luật phối khí trên động cơ.
Khi thực hiện quá trình đĩng mở, mặt nấm supap chịu tải trọng va đập, lực khí thể và tải trọng nhiệt độ rất lớn.
- Lực khí thể tác dụng lên mặt nấm cĩ thể đạt 10.000 ÷ 30.000N. - Va đập mạnh với đế supap nên rất dễ bị biến dạng.
- Mặt nấm supap thải tiếp xúc trực tiếp với khí cháy cĩ nhiệt độ cao (1.100 ÷ 1.200oC đối với động cơ xăng và 700 ÷ 900oC đối với động cơ Diesel) và vận tốc lớn.
Trục cam Trục khuỷu Trục dẫn động Bánh răng trục khuỷu Bánh răng trục cam
- Bị ăn mịn hố học (lưu huỳnh trong nhiên liệu cháy tạo thành axít ăn mịn mặt nấm). Do điều kiện làm việc phức tạp như trên nên vật liệu chế tạo supap thải phải cĩ sức bền cơ học cao, chịu nhiệt tốt và chống được ăn mịn hố học. Vật liệu thường dùng là thép hợp kim: X9C2, HX9C2,...Ngồi ra để nâng cao tính chống mịn của mặt nấm supap, người ta cịn dùng hợp kim cứng để mạ lên mặt làm việc của nấm một lớp khoảng 1,5 ÷ 2,5mm.
Đối với supap nạp, do được làm mát bởi dịng khí nạp đi vào nên thường dùng các loại vật liệu cĩ yêu cầu thấp hơn như thép hợp kim crơm hay crơm niken: 4CX, 37XC, 40X, 40X9C2,...
b) Phân loại supap
Nếu dùng tiêu chuẩn phân loại theo kiểu bố trí, supap cĩ các loại sau: - Kiểu supap đặt
- Kiểu supap treo, cĩ các loại: OHC, SOHC, DOHC đã được giới thiệu ở phần trên. - Kiểu supap hỗn hợp: supap vừa treo và vừa đặt.
- Giới thiệu hệ thống điều khiển supap trên các xe hiên nay
Hệ thống điều khiển supap trên xe Toyota Corolla Altis: kiểu cơ cấu phân phối phối khí DOHC, dẫn động bằng xích, khơng cĩ đệm chỉnh supap, bộ căng xích hoạt động bằng lị xo và áp suất dầu bơi trơn.
Bộ căng xích cam Guốc tỳ xích cam Giảm chấn xích cam Vịi phun dầu Lị xo hãm Vấu hãm Cần đẩy Lị xo
Con đội supap
Hình 3.54. Hệ thống điều khiển supap trên xe Toyota Corolla Altis.
Bơm nhớt Cảm biến vị trí trục khuỷu Bộ điều khiển phối khí Cảm biến nhiệt độ nước
Van điều khiển phối khí Cảm biến VVT ECU Cảm biến vị trí bướm ga Cảm biến lưu lượng khơng khí
Hệ thống điều khiển phân phối khí thơng minh VVT-i (Variable Valve Timing with intelligence): thay đổi gĩc phối khí của trục cam nạp một cách tối ưu theo các chế độ hoạt động của động cơ nhằm nâng cao cơng suất, tính kinh tế nhiên liệu và giảm tối thiểu lượng khí xả gây ơ nhiễm.
c) Kết cấu supap
Về kết cấu, supap được chia ra 3 phần : nấm supap (đầu), thân supap và đuơi supap.
1) Nấm supap (đầu supap)
Mặt nấm supap tiếp xúc với đế supap, đây là bề mặt làm việc quan trọng nhất của supap cĩ dạng mặt cơn với cĩ gĩc = 15 ÷ 450 (đa số supap đều dùng gĩc = 450). Nếu gĩc càng nhỏ thì tiết diện lưu thơng càng lớn, tuy nhiên khi nhỏ thì phần nấm càng mỏng và độ cứng vững càng kém.
Gĩc của mặt cơn trên nấm thường làm nhỏ hơn gĩc của mặt cơn trên đế supap khoảng 0,5 ÷ 10 để đảm bảo kín khít, cho dù mặt nấm cĩ bị biến dạng nhỏ. Kết cấu của nấm supap thường cĩ ba loại:
- Nấm bằng: chế tạo đơn giản, cĩ thể dùng cho cả supap nạp và supap thải. Đa số các động cơ hiện nay đều dùng loại này (hình 3.56).
- Nấm lõm: kết cấu này cải thiện tình trạng lưu thơng của dịng khí nạp vào xylanh và tăng độ cừng vững cho phần nấm. Tuy nhiên, mặt chịu nhiệt của supap lớn nên dễ bị quá tải nhiệt và chế tạo khĩ khăn.
- Nấm lồi: kết cấu nấm lồi cải thiện tình trạng lưu động của dịng khí, tuy nhiên nấm lồi khĩ chế tạo và mặt chịu nhiệt lớn.
Nấm supap Thân supap Phốt supap Đuơi supap Ống dẫn hướng supap Lị xo supap Hình 3.56. Kết cấu supap.
Hình 3.57. Supap đỉnh lồi (a)
Trong một số động cơ cường hố cơng suất supap thải thường làm rỗng, bên trong chứa Na (50 60% thể tích). Tác dụng là để truyền nhiệt tốt, tránh cho supap thải bị quá nhiệt vì Na nĩng chảy ở 970C nên khi thành thể lỏng, điều kiện truyền nhiệt sẽ nhanh và supap được giải nhiệt tốt hơn.
2) Thân supap
Thân supap cĩ tác dụng dẫn huớng và tản nhiệt, vì vậy để phát huy vai trị này phần thân thường xu hướng làm tăng đường kính phần thân. Tuy nhiên phần thân cũng khơng được làm quá lớn vì supap cĩ yêu cầu phải gọn nhẹ và dịng khí lưu thơng dễ dàng.
- Khi supap được dẫn động bằng con đội, hệ thống địn bẩy thường là lực điều khiển theo phương trục supap do đĩ khơng cĩ lực nghiêng hoặc lực nghiêng nhỏ thì thân supap cĩ đường kính: d = (0,16 0,25).dn với dn – đường kính của nấm supap.
- Khi trục cam trực tiếp dẫn động supap, lực nghiêng xuất hiện ở thân supap lớn nhất nên cĩ thể tăng cường đường kính thân supap: d =(0,3 0,4) dn
- Chiều dài thân supap: lt = (2,5 3,5) dn
Để supap khơng kẹt trong ống dẫn hướng lúc nĩng người ta thường thu nhỏ đường kính thân supap phần đầu nấm hoặc khoét rộng lỗ ống dẫn hướng một ít ở phần đầu nấm.
3) Đuơi supap
Đuơi supap thường cĩ hình dạng đặc biệt để lắp ghép với đĩa lị xo. Khi dẫn động supap bằng cơ cấu con đội và đũa đẩy,
đĩa lị xo lắp với supap bằng hai mĩng hãm hình cơn lắp vào phần đuơi supap. Mặt cơn phía ngồi của mĩng hãm ăn khớp với mặt cơn của lỗ đĩa lị xo (gĩc cơn 10 ÷ 15o). Các rãnh hãm trên đuơi supap cĩ thể là rãnh hình trụ, hình cơn, một rãnh hoặc nhiều rãnh.
Kiểu lắp ghép dùng mĩng hãm được dùng rất rộng rãi hiện nay. Tuy gia cơng mĩng hãm cĩ khĩ khăn nhưng cĩ ưu điểm lớn là khơng gây ứng suất tập trung trên đuơi supap.
Để tăng tuổi thọ của supap và đảm bảo supap làm việc tốt cĩ thể thiết kế cơ cấu xoay supap quanh đường tâm của nĩ. Supap vừa chuyển động tịnh tiến vừa xoay trịn quanh tâm, làm cho thân supap lâu mịn và nấm supap tiếp xúc tốt với đế. Tốc độ quay thường nhỏ, vài chục lần đĩng mở, supap mới quay được một vịng.
Nguyên lý làm việc của cơ cấu xoay supap (hình 3.59)
Khi supap đĩng (hình b), lực của lị xo (5) khơng quá lớn, mép ngồi của lị xo đĩa (8) cong lên và mép trong tựa lên vai của thân (1).
Khi supap mở (hình c), lực của lị xo (5) tăng lên, lị xo đĩa (8) thẳng ra và nằm tựa lên các viên bi (2), lực của lị xo (8) truyền tới viên bi (2), các viên bi này trong khi lăn theo rãnh vịng cung của thân sẽ làm quay lị xo và vịng tựa, do đĩ làm quay lị xo supap và thân supap.
Khi supap đĩng, lực của lị xo supap giảm đi, lị xo đĩa (8) cong lên và tựa vào vai của thân, giải phĩng các viên bi (2). Dưới tác dụng của lị xo trở về (9), các viên bi trở về vị trí ban đầu.
Đuơi supap Mĩng hãm Hình 3.58. Đuơi supap và mĩng hãm hình cơn. Đĩa chặn trên lị xo
Hình 3.59. Cơ cấu xoay supap thải.
a) Supap thải ; b) Supap đĩng ; c) Supap mở; d) Các chi tiết của cơ cấu.
1 – thân của cơ cấu xoay; 2 – viên bi; 3 – vịng tựa; 4 – vịng khố; 5 – lị xo supap; 6 – vịng chặn lị xo; 7 – mĩng hãm; 8 – lị xo đĩa; 9 – lị xo hồi;
10 – ống kềm supap; 11 – natri kim loại.
d) Khe hở nhiệt supap
Giữa đuơi supap và con đội hay địn bẩy, múi cam bao giờ cũng cĩ khe hở nhất định để tránh việc supap nĩng giãn nở. Khe hở này ở supap nạp và supap thải thường khác nhau (khe hở supap thải lớn hơn khe hở supap nạp).
Động cơ GAZ – 51A, GAZ – 63, GAZ –
69 ở trạng thái nguội.
- Khe hở supap nạp là 0,23 mm. - Khe hở supap thải là 0,28 mm. Động cơ GAZ – 53A ở trạng thái nguội.
- Khe hở supap nạp là 0,25 mm. - Khe hở supap thải là 0,30 mm.
III.3.2. Đế supap, lị xo supap và ống dẫn hướng supap
a) Vai trị, điều kiện làm việc và vật liệu chế tạo