Btl Khảo Sát Hệ Thống Phân Phối Khí Trong Động Cơ Xăng, Động Cơ Diezel.docx

LỜI NÓI ĐẦU Ô tô là một phương tiện vận tải quan trọng hệ thống giao thông vận tải đường bộ Trong hoạt động vận tải, ô tô được sử dụng đa dạng và linh hoạt nhằm phục vụ các nhu cầu của con người Ngành[.]

LỜI NÓI ĐẦU

Ô tô là một phương tiện vận tải quan trọng hệ thống giao thông vận tải đường

bộ Trong hoạt động vận tải, ô tô được sử dụng đa dạng và linh hoạt nhằm phục vụ cácnhu cầu của con người Ngành công nghiệp ô tô ngày càng được cập nhật các côngnghệ hiện đại, phát triển nhằm phù hợp với nhu cầu vận tải của con người, phù hợp với

sự phát triển của thời đại

Ngày nay có nhiều loại động cơ được sử dụng trên ô tô, nhưng chủ yếu vẫn làđộng cơ chạy nhiên liệu xăng và động cơ chạy nhiên liệu diesel Trong động cơ, cơcấu không thể thiếu để động cơ có thể hoạt động chính là cơ cấu phân phối khí: được

sử dụng để cung cấp nhiên liệu cho động cơ, giúp động cơ hoạt động tốt ở các điềukiện và tình trạng hoạt động khác nhau

Đối với những ô tô hiện đại ngày nay, cơ cấu phân phối khí đã được cải thiệnmột cách tốt nhất, dựa vào tình trạng hoạt động của động cơ ở từng thời điểm, người ta

có thể hiệu chỉnh được để động cơ có thể hoạt động tốt nhất

Nghiên cứu về cơ cấu phân phối khí là điều quan trọng, giúp con người hiểuđược sự hoạt động của động cơ ở nhiều chế độ làm việc, giúp tiết kiệm nhiên liệu đồngthời làm giảm các chất độc hại có trong khí thải cuả động cơ gây ô nhiễm môi trường

Hình 1 : Tổng quan hệ thống phân phối khí trên xe ô tô

PHẦN 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÍ TRÊN XE

Ô TÔ

1.1 Tổng quan về hệ thống phân phối khí trên xe ô tô

Hệ thống phân phối khí trên xe ô tô là một hệ thống rất quan trọng, nó ảnhhưởng lớn tới quá trình làm việc của động cơ Để cho xe có thể hoạt động ổn định vàtiết kiệm nhiên liệu tốt nhất thì thời điểm phân phối khí phải là lí tưởng nhất Do gócpha phối khí là không đồng đều, phụ thuộc vào các nhân tố và tình trạng làm việc củađộng cơ Để có tình trạng làm việc và tối ưu tốt nhất, thì cơ cấu phân phối khí trongđộng cơ cần được điều chỉnh thời gian phân phối hợp lý nhất với từng thời điểm động

cơ hoạt động

Điều kiện làm việc:

 Tải trọng cơ học cao

 Nhiệt độ cao

 Tải trọng va đập lớn

1.2 Nhiệm vụ, phân loại và yêu cầu

1.2.1 Nhiệm vụ của cơ cấu phân phối khí trên ô tô

Hệ thống phân phối khí có nhiệm vụ điều khiển qúa trình thay đổi khí trong xylanh động cơ bằng cách đóng, mở cửa nạp và cửa thải đúng lúc để nạp đầy khí nạp mớivào xy lanh và thải sạch khí thải ra ngoài sau quá trình sinh công của động cơ

1.2.2 Phân loại

Hiện nay trên ô tô thường có các cơ cấu phân phối sau:

 Cơ cấu phân phối khí dùng xupap:

 Cơ cấu phân phối khí dùng xupap treo

 Cơ cấu phân phối khí dùng xupap đặt

 Cơ cấu phân phối khí dùng van trượt

 Bố trí theo kiểu hỗn hợp

 Theo phương pháp dẫn động xupap:

 Xupap đặt xen kẽ trên nắp xilanh

 Xupap được dẫn động trực tiếp

 Xupap được dẫn động thông qua đòn bẩy

1.2.3 Các yêu cầu đối với hệ thống phân phối khí trên xe ô tô

Đối với hệ thống phân phối khí cần phải đáp ứng được các yêu cầu khắt khenhư:

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

 Phải đóng mở đúng thời điểm và đúng quy luật theo nhà SX 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, giá thành chế tạo thấp

 Quá trình thay đổi khí phải hoàn hảo, nạp đầy và thải sạch

PHẦN 2: ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO, KẾT CẤU VÀ NHIỆM VỤ CỦA CÁC

CHI TIẾT, CỤM CHI TIẾT TRONG HỆ THỐNG

2.1 Đặc điểm cấu tạo của hệ thống phân phối khí:

2.1.1 Đặc điểm cấu tạo:

Đối với cơ cấu phân phối khí dùng xupap đặt bên:

Xupap được lắp đặt ở một bên thân máy ngay phía trên trục cam và được trụccam dẫn động xupap thông qua con đội Xupap nạp và xupap thải của các xilanh có thể

bố trí theo nhiều kiểu khác nhau: bố trí xen kẽ hoặc bố trí theo từng cặp một Khí bố trítừng cặp xupap cùng bên, các xupap nạp có thể dùng chung đường nạp nên làm chođường nạp trở thành đơn giản hơn

Hình 2: Cơ cấu phân phối khí loại xupap đặt bên

Đối với cơ cấu phân phối khí dùng xupap treo:

Hình 3: Cơ cấu phân phối khí loại xupap treo

đũa đẩy, đòn bẩy hoặc trục cam dẫn động trực tiếp xupap

Khi dùng xupap treo có ưu điểm: tạo được buồng cháy gọn, diện tích mặttruyền nhiệt nhỏ vì vậy giảm được tổn thất nhiệt Đường nạp, thải đều bố trí trên nắpxilanh nên có điều kiện thiết kế để dòng khí lưu thông thanh thoát hơn, đồng thời cóthể bố trí xupap hợp lí nên có thể tăng được tiết diện lưu thông của dòng khí

Tuy vậy cơ cấu phân phối khí dùng xupap treo cũng tồn tại một số khuyết điểmnhư dẫn động xupap phức tạp và làm tăng chiều cao của động cơ, kết cấu của nắpxilanh hết sức phức tạp, rất khó đúc và gia công

Để dẫn động xupap, trục cam có thể bố trí trên nắp xilanh để dẫn động trực tiếphoặc dẫn động qua đòn bẩy Trường hợp trục cam bố trí ở hộp trục khuỷu hoặc ở thânmáy, xupap được dẫn động gián tiếp qua con đội, đũa đẩy, đòn bẩy,

Khi bố trí xupap treo thành 2 dãy, dẫn động xupap rất phức tạp Có thể sử dụngphương pháp dẫn động xupap dùng một trục cam dẫn động gián tiếpqua các đòn bẩy,hoặc có thể dùng hai trục cam dẫn động trực tiếp

2.1.2 Các phương án bố trí xupap và dẫn động xupap

Hình 4: Các phương án dẫn động xupáp

a) – Các xupáp được đặt xen kẽ trên nắp xilanh; b) – Xupáp được dẫn động trực

tiếp; c) – Xupáp được dẫn động thông qua đòn bẫy

Trong một số loại động cơ xăng, xupap có khi được bố trí theo kiểu hỗn hợp:xupap nạp đặt trên thân máy còn xupap thải lắp chéo trên nắp xilanh Khi bố trí nhưthể kết cấu của cơ cấu phân phối khí rất phức tạp nhưng có thể tăng được tiết diện lưuthông rất nhiều do đó có thể tăng khả năng cường hóa động cơ Kết cấu này thườngdùng trong các loại động cơ xăng có tốc độ cao

Khi so sánh giữa ưu và nhược điểm của hai phương pháp bố trí xupap đặt vàtreo ta thấy rằng: động cơ diezel chỉ dùng xupap treo, do tạo được ε cao còn động

cơ xăng có thể dùng xupap treo, hay xupap đặt nhưng ngày nay thường dùng hệ thốngphân phối khí kiểu treo Động cơ sử dụng hệ thống phân phối khí kiểu treo có hiệusuất nhiệt cao hơn Dùng hệ thống phân phối khí kiểu treo tuy làm cho kết cấu quy látrất phức tạp và dẫn động cũng phức tạp nhưng đạt hiệu quả phân phối khí rất tốt Hệthống phân phối khí xupap treo chiếm ưu thế tuyệ đối trong động cơ 4 kỳ

2.1.3 Các phương án bố trí trục cam và dẫn động trục cam

Trục cam có thể đặt trong hộp trục khuỷu hay trên nắp máy:

Loại trục cam đặt trong hộp trục khuỷu được dẫn động bằng bánh răng cam.Nếu khoảng cách giữa trục cam với trục khuỷu nhỏ thường chỉ dùng một cặp bánhrăng Nếu khoảng cách trục lớn, phải dùng thêm các bánh răng trung gian hoặc dùngxích răng

Loại trục cam đặt trên nắp máy Dẫn động trục cam có thể dùng trục trung giandẫn động bằng bánh răng côn hoặc dùng xích răng Khi dùng hệ thống bánh răng côncần có ổ chắn dọc trục để chịu lực chiều trục và khống chế độ rơ dọc trục Khi trụccam dẫn động trực tiếp xupáp, trục cam được dẫn động qua ống trượt, trục cam dẫnđộng qua đòn quay

Phương án dẫn động bằng bánh răng có ưu điểm rất lớn là kết cấu đơn giản, docặp bánh răng phân phối khí thường dùng bánh răng nghiêng nên ăn khớp êm và bền.Tuy vậy, khi khoảng cách giữa trục cam với trục khuỷu lớn thì phương án này phảidùng thêm nhiều bánh răng trung gian Điều đó làm cho thân máy thêm phức tạp (vì

phải lắp nhiều trục để lắp bánh răng trung gian ) và cơ cấu dẫn động trở nên cồng

kềnh, khi làm việc thường có tiếng ồn

Truyền động bằng xích có nhiều ưu điểm như gọn nhẹ, có thể dẫn động đượctrục cam ở khoảng cách lớn Tuy vậy phương án này có nhược điểm là đắt tiền vì giáthành chế tạo của xích đắt hơn bánh răng nhiều Khi xích bị mòn gây nên tiếng ồn vàlàm sai lệch pha phân phối

Hình 5: Các phương án dẫn động trục cam

a, c) – Dẫn động trục cam dùng bánh răng côn; b) – Dẫn động trục cam dùng bánh

răng trung gian; d , e) – Dẫn động trục cam dùng xích

2.2 Kết cấu các chi tiết chính của cơ cấu phân phối khí dùng xupap:

2.2.1 Xupap:

Xupap thực hiện đóng mở các đường nạp (xupap nạp) và đường thải (xupap xả)

để thực hiện quá trình trao đổi khí

Thường mỗi xylanh có tối thiểu 2 xupap nạp, 1 xupap xả, trong đó xupap nạpthường có kích thước lớn hơn so với xupap xả

Ngày nay để tăng tiết diện lưu thông cho quá trình trao đổi khí người ta có thể

bố trí số lượng xupap nạp, xả trên 1 xylanh nhiều hơn

Hình 6: Kết cấu xupáp.

a) - Nấm bằng; b) – Nấm lõm; d, đ,e) – Nấm lồi; c) – Nấm xupáp được làm rỗng

Kết cấu xupáp được chia làm 3 phần: Phần nấm, phần thân và phần đuôi Phầnnấm do chịu tác dụng của áp suất khí thể và chịu tác dụng của lực quán tính nên khilàm việc chịu va đập lớn gây biến dạng Phần đuôi có nhiệm vụ định vị lò xo khi lắpráp Để tránh hao mòn thân máy và nắp xilanh người ta thường ép vào họng đườngống nạp và thải một vòng đế xupáp

Vật liệu chế tạo:Miếng tăng cứng là một hợp kim: Cobalt (Co) Crom (Cr) vàTungsten (W) Hợp kim này rất cứng, chịu được mài mòn cao và chống lại sự oxy hóa

ở nhiệt độ cao Miếng tăng cứng này được hàn vào mặt xupáp hay đế xupáp để tăngkhả năng chịu nhiệt

Hình 7 : Kết cấu thân xupap

 Đế xupap:

Để tránh hao mòn thân máy người ta dùng đế xupáp ép vào họng của đường ống nạp và đường ống thải

Hình 8: Kết cấu đế xupáp

a) - Đế có mặt ngoài dạng hình trụ; b) - Đế mặt ngoài hình côn;

c) - Đế lắp vào nắp xilanh bằng ren; d) - Đế ép khi bị lỏng ra; e) - Đế có ren

Đế có mặt ngoài là mặt trụ có tiện rãnh để khi ép kim loại biến dạng vào rãnhgiữ chắc đế xupáp Có khi mặt ngoài là mặt côn Loại này có khi không ép sát đáy mà

để khe hở nhỏ hơn 0,04mm để còn ép tiếp khi bị lỏng ra Có loại đế lắp vào thân máyhoặc nắp xilanh bằng ren Loại đế mà sau khi lắp phải cán bề mặt nắp máy để kim loạibiến dạng giữ chặt đế Loại này thường ít được sử dụng

 Nấm xupap:

Phần quan trọng nhất của nấm là mặt làm việc với góc vát alpha Góc alphacàng nhỏ, tiết diện thông qua của xupap càng lớn nhưng dòng khí càng bị ngoặt làmtăng sức cản lưu động của dòng khí, mặt khác khi đó chiều dày của nấm nhỏ ảnhhưởng đến sức bền của nấm Do đó hầu hết xupap thải có góc alpha = 45 độ còn đốivới xupap nạp thông thường là từ 30˚<=α<=45˚

b) c)

Chiều rộng của nấm phụ thuộc tương quan giữa độ cứng của đế xupap và nấmxupap Để tránh hiện tượng nấm bị mòn thành rãnh trên bề mặt và để thuận tiện khisửa chữa, đế xupap được làm mềm hơn nấm Khi đó bề rộng của nấm lớn hơn bề rộngcủa đế xupap.

Theo kết cấu, nấm bằng có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo và có diện tích chịunhiệt nhỏ

Nấm lõm có bán kính chuyển tiếp giữa nấm và thân rất lớn nên được dùng làmxupap nạp để cho dòng khí nạp đỡ bị ngoặt Phần lõm nhằm giảm trọng lượng của nấmhay của toàn bộ xupap

Nấm lồi được dùng cho xupap thải nhằm cải thiện quá trình thải, cụ thể là giảmcác vùng chết khi thải để thải sạch

2.2.2 Ống dẫn hướng:

Để dễ sữa chữa và tránh hao mòn cho thân máy hoặc nắp xilanh ở chỗ lắp xupáp,người ta lắp ống dẫn hướng trên các chi tiết máy này Xupáp được lắp vào ống dẫnhướng 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 thanhnhôm Loại ống dẫn hướng này dẫn nhiệt rất tốt, khi thiếu dầu bôi trơn cũng khôngxảy ra hiện tượng kẹt xupáp

Hình 9: Kết cấu ống dẫn hướng

a) Ống dẫn hướng hình trụ; b) Ống dẫn hướng hình trụ có vai

2.2.3 Lò xo xupap:

Lò xo xupáp có nhiệm vụ giữ cho xupáp đóng kín sát với đế xupáp không chokhí nén trong buồng đốt bị lọt ra ngoài Lò xo xupáp giữ cho các chi tiết làm việc củaxupáp nạp và xả theo sự điều khiển của các vấu cam nhờ lực lò xo trong khi xupápchuyển động do đó đóng mở xupáp chính xác theo biên dạng cam

Mỗi xupáp thường dùng hai lò xo lồng vào nhau, một cái ở trong và một cái ởngoài Mỗi lò xo có độ cứng khác nhau Như vậy nó sẽ ngăn cản dao động riêng của

xupáp khi động cơ hoạt động ở tốc độ cao Lò xo xupáp thường được dùng là lò xo kínhay lò xo tác động kép Nó đảm bảo xupáp làm việc tốt ở tốc độ cao

Ngoài sức căng ban đầu , lò xo phải chịu tải trọng thay đổi đột ngột và tuầnhoàn trong quá trình đóng mở xupap

Để tránh hiện tượng cộng hưởng gây ra các hậu quả nghiêm trọng như: sai lệchquy luật làm việc của cơ cấu phân phối khí, gãy lò xo, người ta sử dụng các biệnpháp như: lò xo có bước không đều, lò xo kép,

làm việc của các xylanh Ở một số động cơ, trục cam còn có nhiệm vụ dẫn động bơmdầu, bơm nhiên liệu (động cơ diezel), bộ chia điện (động cơ xăng).

Hình 11: Kết cấu trục cam

1– Đầu trục cam; 2– Cổ trục cam; 3–Vấu cam nạp; 4–Vấu cam thải; 5– Bánh răng dẫn

động bơm dầu bôi trơn

Các bộ phận chính và vật liệu sản xuất:

Trục được làm bằng thép, cấu tạo bởi các vấu cam và các cổ trục, số lượng camđúng bằng với số lượng xupap, chúng được bố trí sao cho đảm bảo thứ tự nổ của cácxilanh trong động cơ Số cổ trục được tính toán, thiết kế tùy theo số lượng xylanh vàcách bố trí xylanh sao cho đảm bảo độ cứng vững cho trục

Trên trục cam có các vấu cam hút và xả cho mỗi xilanh Thời điểm đóng mởxupáp phụ thuộc vào biên dạng cam Trục cam bao gồm các phần cam thải, cam nạp

và các cổ trục Ngoài ra trên một số động cơ trên trục cam còn có vấu cam dẫn độngbơm xăng, bơm cao áp vv…Hình dạng và vị trí của cam phối khí quyết định bởi thứ tựlàm việc, góc độ phối khí và số kì của động cơ Cam có thể được chế tạo liền trục hoặc

có thể làm rời từng cái rồi lắp trên trục bằng then hoặc đai ốc

Vật liệu chế tạo trục cam thường là thép hợp kim có thành phần cacbon thấpnhư thép 15X, 15MH, 12XH hoặc thép cacbon có thành phần trung bình như thép

40 hoặc thép 45 Các mặt ma sát của trục cam (mặt làm việc của trục cam, của ổ trục,của mặt đầu trục cam…) đều thấm than và tôi cứng

+ Cổ trục cam: Có hai loại đủ cổ và thiếu cổ Nếu số cổ trục là Z và số xilanh là

i thì: Số cổ loại đủ cổ là Z = (i + 1) thường dùng ở động cơ điêzen Số cổ loại trốn cổ Z

= (i/2 + 1) thường dùng ở động cơ xăng

Các cổ phải mài bóng, bề mặt có độ cứng đạt 50 ¿ 60 HRC Nếu trục camlắp

luồn thì kích thước cổ phải còn lớn hơn các phần khác của trục cam Đôi khi để dễ lắpngười ta làm đường kính các cổ khác nhau, cổ có đường kính nhỏ nhất ở phía cuốitrục

Các ổ trục cam được ép trên thân máy đều là ống thép có tráng hợp kim chịumài mòn như ba bít, hợp kim đồng chì, hợp kim nhôm

Nếu trục cam lắp theo kiểu đặt, phải dùng ổ hai nửa, một nửa đúc trên thân haynắp xilanh, nửa kia làm thành nắp ổ rồi lắp lại bằng bulông hay gu giông, kết cấu nàydùng ở động cơ công suất lớn và một số động cơ có trục cam đặt trên nắp xilanh

+ Ổ chắn dọc trục:

Để giữ cho trục cam không dịch chuyển theo chiều trục (khi trục cam, thân máyhoặc nắp xylanh giãn nở) khiến cho khe hở ăn khớp của bánh răng côn và bánh răngnghiêng dẫn động trục cam thay đổi làm ảnh hưởng đến pha phân phối khí, người taphải dùng ổ chắn dọc trục Trong trường hợp bánh răng dẫn động trục cam là bánhrăng côn hoặc bánh răng nghiêng, ổ chắn phải bố trí ngay phía sau bánh răng dẫnđộng Còn khi dùng bánh răng thẳng, ổ chắn có thể đặt ở bất kỳ vị trí nào trên trụccam vì trong trường hợp này, trục cam không chịu lực dọc trục và dù trục cam haythân máy có giãn nở khác nhau cũng không làm ảnh hưởng đến pha phân phối khí nhưtrường hợp dùng bánh răng nghiêng và bánh răng côn

Phương pháp lắp trục cam: trong quá trình động cơ làm việc, trục cam điềukhiển sự đóng mở của các xupap, còn trục khuỷu điều khiển sự lên xuống của piston

Do đó khi lắp ráp phải đảm bảo sự chuyển động của piston phải đúng với sự dịchchuyển của xupap

Hình 12: Kết cấu đầu trục cam.

1 – Vỏ máy; 2 – Bulông hãm bích; 3 – Bích chắn; 4 – Trục cam; 5 – Vòng chắn; 6 - Ổ

đỡ trục cam; 7 – Đêm vênh; 8 – Bulông cố định bánh răng dẫn động; 9 – Then; 10 –

Bánh răng dẫn động trục cam

2.2.5 Con đội:

Con đội là chi tiết máy truyền lực trung gian, đồng thời con đội chịu đựng lựcnghiêng do cam phối khí gây ra trong quá trình dẫn động xupap, khiến cho xupap cóthể hoàn toàn không chịu nghiêng (trong cơ cấu phân phối khí dùng xupap đặt)

Bộ phận chính và vật liệu sản xuất: kết cấu con đội gồm có hai phần: phần dẫnhướng (thân con đội) và phần mặt tiếp xúc với cam phối khí Thân con đội đều códạng hình trụ còn phần mặt tiếp xúc thường có nhiều dạng khác nhau Các loại con độithường làm bằng thép cacbon ,gang

Phân loại con đội: hình nấm, hình trụ, con lăn, thủy lực (thường được sử dụngnhất là con đội hình nấm và hình trụ)

 Con đội hình nấm và hình trụ:

Là loại con đội đáy bằng dùng phổ biến trên các loại động cơ, con đội hình nấmdùng cho hệ thống phối khí xupáp đặt, đôi khi dùng cho xupáp kiểu treo, con đội đượckhoét rỗng để lắp với đũa đẩy, phần cầu lõm phải có rc lớn hơn r đũa đẩy khoảng (0,2

¿ 0,3) mm Sở dĩ làm như vậy là để tránh hiện tượng mòn vẹt mặt con đội (hoặc mặtcam) khi đường tâm con đội không thẳng góc với đường tâm trục cam

Khi mặt tiếp xúc là mặt cầu, con đội tiếp xúc với mặt cam tốt hơn, nên tránh

được hiện tượng cào xước

Loại con đội hình nấm được dùng rất nhiều trong cơ cấu phân phối khí xupápđặt Thân con đội thường nhỏ, đặc, vít điều chỉnh khe hở xupáp bắt trên phần đầu củathân

Hình 13: Con đội hình nấm và con đội hình trụ

 Con đội con lăn:

Gồm có thân, lò xo chặn, chốt và con lăn Lò xo chặn có tác dụng không chocon đội xoay Ngoài ra, còn có bulông bắt trong thân máy để con đội hoạt động đúnghướng

Con lăn được nhiệt luyện để chịu mài mòn Cơ cấu con đội con lăn có tác dụnglàm giảm ma sát vì vậy làm giảm được mức tiêu nhiên liệu