Tìm hiểu về hệ thống phân phối khí của xe oto 2024

Với sự phát triển của công nghệ, động cơ đốt trong đang được trên bị trên ô tô ngày nay đã được cải tiến rất nhiều nhằm tăng hiệu quả làm việc, hiệu suất, tính tiết kiệm nhiên liệu… Tuy nhiên, các nguyên lý hoạt động và chu trình hoạt động của các động cơ thì vẫn giữ nguyên. Và động cơ đốt trong được trang bị trên ô tô dù hiện đại đến đâu cũng phải thực hiện bốn quá trình hoạt động, đó là: Nạp – Nén – Nổ – Xả.

Theo lý thuyết, các quá trình này sẽ được chia đều trong hai vòng quay trục khuỷu, tức là 720^o, mỗi chu trình sẽ thực hiện trong 180^o vòng quay trục khuỷu. Nhưng trên thực tế, để động cơ có thể đạt được công suất tối đa, khả năng làm việc tối ưu và cho hiệu suất cao nhất thì động cơ phải được “Nạp đầy” và “Thải sạch”. Điều đó đồng nghĩa với thời gian dành cho quá trình Nạp và Xả sẽ được kéo dài hơn, trong khi đó hai quá trình còn lại sẽ được rút ngắn lại.

Hệ thống phân phối khí được thiết kế để thực hiện điều đó. Hệ thống phân phối khí có nhiệm vụ nạp đầy hỗn hợp hòa khí (xăng + không khí) hay không khí sạch vào xylanh trong kỳ nạp và thải sạch khí cháy ra khỏi xylanh trong kỳ xả. Dựa vào nhiệm vụ trên, hệ thống phân phối pháp đáp ứng được các yêu cầu khắc khe như:

+. Xupap cần được mở sớm và đóng muộn tùy theo kết cấu của từng loại động cơ và điều kiện vận hành của động cơ.

+. Phải đóng mở đúng thời gian quy định.

+. Phải đảm bảo đóng kín buồng cháy trong kỳ nén và nổ.

+. Độ mở xupap phải đủ lớn để dòng khí dễ lưu thông vào buồng cháy.

+. Dễ dàng điều chỉnh, sửa chữa… và các yêu cầu khác…

Cơ cấu phân phối khí kiểu xupap treo

Cơ cấu phối khí kiểu xupap treo được sử dụng phổ biến trên động cơ đốt trong trang bị cho ô tô và máy kéo hiện nay. Toàn bộ cơ cấu phối khí (trục cam, lò xo, xupap…) được đặt phía trên nắp máy, trục cam được dẫn động bởi trục khuỷu thông qua một dây đai dẫn động hoặc bằng một xích dẫn động.

Tốc độ quay của trục cam bằng một nửa so với tốc độ quay của trục khuỷu, nghĩa là, khi trục khuỷu quay hai vòng, trục cam sẽ quay một vòng. Sở dĩ trục cam quay chậm hơn hai lần so với trục khuỷu vì động cơ bốn kỳ sẽ hoàn thành bốn chu trình “Nạp-Nén-Nổ-Xả” trong hai vòng quay trục khuỷu. Trong khi đó, chỉ có hai chu trình “Nạp” và “Xả” vấu cam sẽ tác động làm cho xupap nạp và xupap thải mở ra để thực hiện hút hòa khí (động cơ xăng) hoặc không khí sạch (động cơ Diesel) vào buồng cháy trong kỳ Nạp và đẩy khí thải ra khỏi buồng cháy trong kỳ Xả. Do đó, trục cam sẽ quay chậm hơn trục khuỷu hai lần.

Các xupap có thể được dẫn động trục tiếp bởi các vấu cam hoặc gián tiếp thông qua cò mổ. Hai phương án dẫn động xupap này đều được phát triển và sử dụng phổ biến trên các dòng xe TOYOTA, HONDA, BMW, MAZDA, KIA, MERCEDES, AUDI… hiện nay.

Đối với phương án dẫn động trực tiếp, trên đuôi các xupap sẽ được bố trí các con đội (hay còn gọi là chén chặn), các vấu cam khi quay sẽ tác động trực tiếp vào con đội, qua đó đẩy xupap đi chuyển. Các hình ảnh phía trên có thể mô tả rõ hơn về quá trình này.

Đối với phương án dẫn động gián tiếp thông qua cò mổ, trên đuôi các xupap sẽ không được bố trí các con đội, mà thay vào đó là các cò mổ. Khi trục cam quay, các vấu cam sẽ tác động vào cò mổ, dựa vào nguyên lý đòn bẩy, các cò mổ sẽ tác động trực tiếp vào đuôi của các xupap với một lực lớn gấp nhiều lần so với phương án còn lại.

Một vài chi tiết chính của hệ thống phân phối khí

Trục cam

Trục cam là một chi tiết được thiết kế có cấp chính xác rất cao. Trục cam trong động cơ được trang bị trên ô tô thường là trục liền, không có khúc đoạn nối với nhau. Các vấu cam bố trí trên trục cam tuân theo thứ tự nổ của từng loại động cơ và chức năng của trục cam đó (trục cam nạp hoặc trục cam thải hoặc trục cam đơn có cả cam nạp và cam thải).

Động cơ sử dụng trục cam đơn SOHC (Single Overhead Camshaft) hiện nay ít được sử dụng trên động cơ ô tô bởi khả năng điều chỉnh thay đổi thời điểm đóng mở xupap rất khó khăn và phức phạp khi động cơ hoạt động ở tốc độ cao. Kiểu trục cam này dễ dàng bắt gặp trên hầu hết động cơ xe máy (trừ một vài dòng xe máy hiện đại và mô tô phân khối lớn).

Động cơ sử dụng trục cam kép DOHC (Dual Overhead Camshaft) thường phổ biến trên các dòng xe ô tô hiện nay. Khả năng điều chỉnh thay đổi độc lập thời điểm đóng mở xupap nạp và xupap thải trở nên dễ dàng hơn và tối ưu hơn so với trục cam đơn khi động cơ hoạt động ở tốc độ cao và trong nhiều điều kiện tải trọng khác nhau.

Các công nghệ thay đổi thời điểm đóng mở xupap nạp và xupap thải trên các dòng xe hiện đại ngày nay đều sử dụng kiểu kết cấu trục cam kép này.

Xupap

Xupap có nhiệm vụ đóng mở cửa nạp và thải trong động cơ theo thứ tự làm việc của động cơ. Các xupap được chế tạo từ vật liệu có khả năng chịu nhiệt độ cao, giãn nở ít và có độ cứng cao. Cấu tạo của xupap có thể được mô tả như sau:

Các xupap tuy có kết cấu đơn giản nhưng việc nghiên cứu chế tạo lại cực kỳ phức tạp. Biên dạng và kích thước của nấm xupap ảnh hưởng rất lớn đến khả năng nạp đầy hòa khí hay không khí sạch vào động cơ. Thân và đuôi xupap cũng được chế tạo có cấp chính xác cao để đảm bảo khả năng làm việc tốt của các xupap.

Lò xo xupap

Lò xo xupap là chi tiết luôn luôn chịu tải trọng cả khi động cơ hoạt động hay không hoạt động. Lò xo xupap được chế tạo từ vật liệu có khả năng đàn hồi tốt, có độ cứng vững rất cao. Lò xo xupap thường là loại lò xo trụ có bước xoắn thay đổi để giảm dao động cộng hưởng gây gãy lò xo trong quá trình hoạt động.

Ngoài ra còn có các chi tiết khác như: Cò mổ, con đội, xích dẫn động trục cam, dây đai dẫn động trục cam,…

Các công nghệ hiện đại

Động cơ đốt trong luôn phải hoạt động trong nhiều điều kiện làm việc khác nhau, do đó, thời gian động cơ hoàn thành một giai đoạn (kỳ) sẽ cần được thay đổi để đáp ứng được với các điều kiện đó. Ngày nay, các nhà sản xuất nổi tiếng đã nghiên cứu và phát triển nhiều công nghệ tối ưu pha phối khí trên động cơ đốt trong để tăng hiệu suất làm việc của động cơ. Có thể liệt kê một vài công nghệ hiện đại như:

+. Công nghệ van biến thiên (VVT-i, dual VVT-i…) thực hiện điều chỉnh góc xoay trục cam nạp hoặc đồng thời cam nạp và cam xả để thay đổi thời điểm đóng mở các xupap trên các dòng xe của TOYOTA, LEXUS.