đồ án tốt nghiệp khảo sát hệ thống nạp-thải trên động cơ 1nz-fe

Khảo sát hệ thống nạp-thải trên động cơ 1NZ-FE
LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây ngành công nghiệp chế tạo ô tô đang trên đà phát
triển mạnh mẽ, đặc biệt cùng với việc ứng dụng khoa học kỹ thuật công nghệ vào
trong ngành đã đưa ngành công nghiệp chế tạo ô tô hoà nhập cùng với tốc độ phát
triển của sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước.
Do điều kiện kinh tế ngày càng nâng cao nên xe VIOS là loại xe do hãng
TOYOTA chế tạo được đưa vào nước ta trong những năm gần đây để phục vụ nhu
cầu đi lại của người dân, đặc biệt là người dân sống ở khu vực thành thị. Vì vậy
việc tìm hiểu về tính năng kỹ thuật của xe, cụ thể là hệ thống nạp - thải là hết sức
cần thiết đối với một sinh viên thuộc chuyên ngành động lực. Do đó em đã chọn đề
tài “Khảo sát hệ thống nạp - thải trên động cơ 1NZ-FE " lắp trên xe VIOS. Đây là
một cơ hội vô cùng thuận lợi để em củng cố những kiến thức cơ bản về hệ thống
nạp thải trên động cơ nói chung, đồng thời trên cơ sở đó tìm hiểu những đặc điểm
mới về kết cấu của hệ thống nạp - thải trên một động cơ mới được phát triển trong
thời gian gần đây.
Hệ thống nạp - thải đóng vai trò rất quan trọng trong việc cung cấp hoà khí cho
chu trình làm việc của động cơ cũng như đưa sản phẩm cháy trong mỗi chu trình ra
ngoài, đảm bảo yêu cầu nạp đầy và thải sạch của động cơ. Nó có ảnh hưởng rất lớn
đến công suất động cơ và mức độ ô nhiễm môi trường do khí thải của động cơ. Vì
vậy yêu cầu khi nghiên cứu về hệ thống nạp - thải là phải đặt nó trong mối quan hệ
với các hệ thống khác của động cơ.
Thực hiện đề tài này đòi hỏi sinh viên ngoài kiến thức về chuyên ngành còn
phải có kỹ năng tìm kiếm những nguồn tài liệu mới, đặc biệt cần khai thác mạng
thông tin toàn cầu internet. Bên cạnh đó cần trau dồi thêm khả năng ngoại ngữ
chuyên ngành động cơ và ôtô.
Do kiến thức còn nhiều hạn chế, kinh nghiệm chưa nhiều, tài liệu tham khảo
còn ít và điều kiện thời gian không cho phép nên đồ án tốt nghiệp của em không
tránh khỏi những thiếu sót, kính mong các thầy cô giáo trong bộ môn chỉ bảo để đồ
án của em được hoàn thiện hơn
1

Khảo sát hệ thống nạp-thải trên động cơ 1NZ-FE
Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn đến thầy giáo hướng dẫn NGUYỄN
QUANG TRUNG, các thầy cô giáo trong khoa Cơ Khí Giao Thông cùng tất cả các
bạn sinh viên đã giúp em hoàn thành đồ án này.
Đà nẵng ngày 28 tháng 5 năm 2009
Sinh viên thực hiện
PHAN MINH TRUNG
2
Khảo sát hệ thống nạp-thải trên động cơ 1NZ-FE
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU 1
Bảng 2-2 Động cơ 20
2.1.Đặc điểm kết cấu các cụm chi tiết chính của động cơ 1NZ-FE 21
3. Khảo sát hệ thống nạp – thải động cơ 1NZ-FE 30
Hình 3-16 Sơ đồ hiệu chỉnh phun nhiên liệu theo nồng độ oxy 43
Hình 3-17 Kết cấu cảm biến oxy 44
4.3.Tính toán các chu trình công tác 55
5. Kiểm tra bảo dưỡng các cụm chi tiết trong hệ thống nạp-thải động cơ 1NZ-
FE 64
KẾT LUẬN 68
3
Khảo sát hệ thống nạp-thải trên động cơ 1NZ-FE
1.Tổng quan về hệ thống nạp thải
Hệ thống nạp thải có nhiệm vụ đưa hỗn hợp không khí- nhiên liệu vào buồng
cháy để thực hiện quá trình cháy của động cơ, đồng thời đưa sản phẩm cháy từ
buồng cháy thoát ra ngoài. Hệ thống nạp thải phải đảm bảo cung cấp đủ lượng hỗn
hợp có thành phần hoà khí thích hợp với mọi chế độ hoạt động của động cơ, thải
sạch sản phẩm cháy ra ngoài trong quá trình thải, sao cho hiệu suất động cơ là lớn
nhất và giảm ô nhiễm môi trường, giảm tiếng ồn.
1.1 Hệ thống nạp thải động cơ xăng

1 2
3
4
5
6
Hình1-1 Sơ đồ tổng quan hệ thống nạp thải
1-Bộ lọc không khí; 2-Cổ họng gió; 3- Bộ góp nạp; 4-Bộ góp thải;
5-Bộ xử lý khí thải; 6-Bộ giảm âm.
Không khí được hút vào xylanh động cơ qua bộ lọc không khí đến cổ họng
gió, ở động cơ dùng bộ chế hòa thì hòa khí được hình thành tại đây nhờ độ chân
không tại họng, từ đây không khí đến bộ góp nạp và đi vào buồng đốt. Sau khi hòa
4
Khảo sát hệ thống nạp-thải trên động cơ 1NZ-FE
khí được đốt cháy, khí thải được dẫn vào đường ống thải tới bộ góp thải đi vào bộ
xúc tác ba chức năng tại đây khí thải độc hại được khử thành các chất vô hại rồi
theo ống dẫn khí thải qua bộ giảm âm thoát ra ngoài môi trường.
Mỗi cụm chi tiết trong hệ thống nạp thải đều có một vai trò quang trọng trong việc
đưa một lượng không khí sạch cần thiết vào trong buồng đốt động cơ và dẫn lượng
khí thải đã xỷ lý ra ngoài môi trường.
1.1.1 Đường nạp động cơ xăng dùng bộ chế hòa khí
Hình 1-2 Sơ đồ đường nạp động cơ xăng dùng bộ chế hòa khí
1-Bướm ga; 2-Đường ống nhiên liệu; 3-Van kim; 4-Buồng phao;
5-Phao; 6-Ziclơ; 7-Đường ống nạp; 8-Vòi phun; 9-Họng;
Không khí từ khí trời được hút qua bầu lọc vào đường ống nạp (7) qua
họng (9) của bộ chế hoà khí, họng (9) làm cho đường ống bị thắt lại vì vậy tạo nên
độ chân không khi không khí đi qua họng. Chỗ tiết diện lưu thông nhỏ nhất của
họng là nơi có độ chân không nhỏ nhất. Vòi phun (8) được đặt tại tiết diện lưu
thông nhỏ nhất của họng. Nhiên liệu từ buồng phao (4) qua ziclơ (6) được dẫn động
tới vòi phun. Nhờ có độ chân không ở họng nhiên liệu được hút khỏi vòi phun và
được xé thành những hạt sương mù nhỏ hỗn hợp với dòng không khí đi qua họng

vào động cơ. Để bộ chế hoà khí làm việc chính xác thì nhiên liệu trong buồng phao
5
Khảo sát hệ thống nạp-thải trên động cơ 1NZ-FE
luôn luôn ở mức cố định vì vậy trong buồng phao có đặt phao (5). Nếu mức nhiên
liệu trong buồng phao hạ xuống thì phao (5) cũng hạ theo, van kim (3) rời khỏi đế
van làm cho nhiên liệu từ đường ống (2) đi vào buồng phao. Phía sau họng còn có
bướm ga (1) dùng để điều chỉnh số lượng hỗn hợp đưa vào động cơ.
1.1.2 Đường nạp động cơ phun xăng điện tử
4
5
3
21
6
Hình 1-3 Sơ đồ đường nạp động cơ phun xăng điện tử
1-Bộ lọc khí; 2-Cảm biến MAF; 3-Bướm ga; 4-Cổ họng gió;
5-Cảm biến vị trí bướm ga; 6-Đường ống nạp
Không khí từ khí trời được hút qua bầu lọc, tín hiệu lưu lượng nhiệt độ khí nạp
được truyền về ECU thông qua cảm biến MAF, từ đó ECU sẽ tính toán và định
lượng phun cho phù hợp, sau đó dòng khí nạp tới cổ họng gió. Đây là thiết bị kiểm
soát lượng không khí cho các động cơ dùng bộ chế hòa khí và phun nhiên liệu.
Lượng không khí đi vào động cơ được điều tiết bởi độ mở của bướm ga.
6
Khảo sát hệ thống nạp-thải trên động cơ 1NZ-FE
1 2
ECU
Caïc tên hiãûu
khaïc nhau
5
2
3 4

1
Hình 1-4 Cổ họng gió
1- Bướm ga; 2- Cổ họng gió; 3-Cảm biến vị trí bướm ga;
4-Môtơ điều khiển bướm ga; 5-Cảm biến vị trí bàn đạp ga
Trước đây góc mở bướm ga được điều khiển bằng cơ học thông qua các cơ cấu
cơ khí nối từ bàn đạp ga đến bướm ga, hiện nay điều này đã được thay thế bằng hệ
thống điều khiển bằng điện tử hiện đại. Dòng khí nạp từ cổ gió đi vào bộ góp nạp
sau đó phân ra các nhánh đi vào xylanh động cơ
Ở các động cơ hiện đại ngày nay hình dạng đường ống nạp đã được thiết kế
cải tiến nhằm lợi dụng lực quán tính lưu động của dòng khí nạp để nạp thêm, những
vật liệu mới như nhựa tổng hợp, sợi cacbon cho phép tạo dáng đường nạp có hệ số
cản nhỏ, kích thước gọn nhẹ mà độ cách nhiệt cao hơn vật liệu kim loại.
Hình 1-5 Bộ góp nạp có đường nạp dạng xoắn ốc
1- Đường ống nạp; 2- Buồng tích áp
Nguyên lý làm việc của bộ góp nạp có đường nạp dạng xoắn ốc là dựa vào
hình dạng thiết kế đặc biệt dạng xoắn ốc của đường nạp để tạo ra hiệu ứng lưu động
dòng khí nạp. Từ đó làm tăng lượng khí nạp thêm vào xylanh động cơ ở kỳ nạp.
Ngoài ra một số bộ góp nạp còn có đường nạp được phân khúc- khi động cơ chạy ở
tốc độ thấp, đường nạp dài; khi động cơ chạy ở tốc độ cao, đường nạp ngắn nhờ sự
đóng mở của van biến thiên đường nạp.
7
Khảo sát hệ thống nạp-thải trên động cơ 1NZ-FE
Hình 1-6 Bộ góp nạp có đường nạp biến thiên.
a) Van biến biến thiên đường nạp đóng; b) Van biến biến thiên đường nạp mở
1 - Buồng tích áp; 2 - Van biến thiên đường nạp.
Nguyên lý làm việc của bộ góp nạp có chiều dài đường nạp biến thiên
Khi tốc độ động cơ nhỏ, van biến thiên đường nạp đóng. Ở điều kiện này,
chiều dài khoảng tác động của đường nạp là từ xupáp nạp đến buồng tích áp là
đường nạp dài, với tác dụng của lực quán tính khí nạp, lượng không khí nạp được
tăng lên, mô-men xoắn của động cơ cũng tăng lên ở vòng quay từ thấp đến trung

bình.
Khi tốc độ động cơ lớn, van biến thiên đường nạp mở. Ở điều kiện này, chiều
dài khoảng tác động đường nạp là từ xupáp nạp đến buồng tích áp là đường nạp
ngắn ( như hình-a). Lực quán tính khí nạp đã đạt được ở tốc độ động cơ cao nên cổ
nạp ngắn lại làm tăng lượng khí nạp vào trong xilanh và mô-men xoắn của động cơ
cũng tăng lên theo ở tốc độ cao.
1.1.3 Đường thải động cơ xăng
3
1
2 4 5
ECU
Hình 1-7 Sơ đồ đường thải động cơ xăng
1- Đường ống thải; 2- Cảm biến oxy chính ;3- Bộ xúc tác 3 chức năng
8
Khảo sát hệ thống nạp-thải trên động cơ 1NZ-FE
4- Cảm biến oxy phụ; 5- Bộ giảm âm
Đường ống thải của động cơ có nhiệm vụ đưa khí cháy từ buồng cháy ra ngoài
môi trường qua đó tạo điều kiện cho việc nạp đầy môi chất mới vào trong xilanh
động cơ. Bên cạnh đó đường ống thải của động cơ cũng cần đảm bảo cho việc khí
xả thoát ra ngoài môi trường ít gây ô nhiễm môi trường.
Trên đường thải của động cơ xăng dùng bộ chế hòa khí không được trang bị
bộ lọc khí thải 3 thành phần (TWC) và cảm biến oxy, chỉ ở động cơ phun xăng điện
tử mới trang bị TWC, vì nó chỉ có thể hoạt động có hiệu quả khi đi kèm với hệ
thống thông tin phản hồi về hỗn hợp không khí-nhiên liệu bằng cách theo dõi lượng
oxy trong khí thải bỡi cảm biến oxy đặt trên đường ống thải.
Ở một số xe đời mới có trang bị 2 cảm biến oxy, cảm biến oxy chính dùng để
xác định nồng độ oxy trong khí thải, gửi tín hiệu điện về ECU xử lý để định lượng
nhiên liệu phun thích hợp. Các hư hỏng của bộ lọc khí thải có thể phát hiện bằng
cách so sánh tín hiệu của hai cảm biến oxy chính và phụ.
1.1.4 Phương án bố trí đường nạp và đường thải trên nắp máy động cơ xăng

Đối với động cơ xăng dùng bộ chế hòa khí do đặc điểm hòa khí được hình
thành ngoài buồng cháy, tại họng khuếch tán nhờ độ chân không tai họng, do vậy
hòa khí hình thành chưa được đồng nhất, để tạo điều kiện cho không khí và nhiên
liệu hòa trộn tốt hơn thì nhiệt độ cao của dòng khí thải đã được tận dụng để sấy
nóng dòng khí nạp bằng cách bố trí đường nạp và thải sen kẻ nhau.
3
2
1
Hình 1-8 Sơ đồ bố trí đường nạp và thải cùng phía sen kẻ
1-Nắp máy ;2- Đường thải ;3- Đường nạp
Hoặc có thể bố trí đường nạp và thải về hai phía, ở trường hợp này nhiệt độ
của nước làm mát động cơ được sử dụng để gia nhiệt cho dòng khí nạp.
9
Khảo sát hệ thống nạp-thải trên động cơ 1NZ-FE
3
2
1
Hình 1-9 Sơ đồ bố trí đường nạp và thải khác phía
1- Nắp máy; 2- Đường thải; 3- Đường nạp
Còn đối với động cơ phun xăng điện tử, hòa khí được hình thành rất tốt nhờ
kim phun, đường nạp chỉ có nhiệm vụ nạp không khí vào buồng đốt nên để tránh sự
truyền nhiệt từ nắp máy và dòng khí thải, đường ống nạp được làm bằng nhựa cách
nhiệt rất tốt và đường nap-thải được bố trí về hai phía khác nhau.
1.2 Hệ thống nạp thải động cơ diezen
5
3
2
1
4
Hình 1-10 Sơ đồ tổng quan hệ thống nạp thải động cơ diezen

1-Bộ lọc không khí ; 2-Đường ống nạp; 3-Đường ống thải;
4-Bộ xúc tác; 5-Bộ giảm âm
1.2.1 Đường nạp động cơ diezen
1
2
3
10
Khảo sát hệ thống nạp-thải trên động cơ 1NZ-FE
Hình 1-11 Sơ đồ đường nạp động cơ diezel có bộ sưỡi không khí
1-Bộ sưỡi không khí; 2-Ống góp nạp; 3-Đường ống nạp
Không khí được hút vào xylanh động cơ qua bộ lọc không khí rồi đến ống góp
nạp, đối với các nước có khí hậu lạnh trên động cơ có hệ thống sưỡi ấm không khí
được trước khi vào các xylanh động cơ bằng dây điện trở đặt tại ống góp nạp, hoặc
bugi sưỡi trong buồng đốt động cơ, điều này giúp máy dễ nỗ khi khởi động lạnh
Còn đối với động cơ diezen sử dụng ở các nước có khí hậu nóng thì không có bộ
sưỡi không khí.
Ở động cơ cummunrai, là động cơ diezen hiện đại nên trên đường nạp còn có
cảm biến để đo lưu lượng nhiệt độ khí nạp (MAF), và luôn có máy nén tăng áp.
1.2.2 Đường thải động cơ diezen
2
1
3
Hình 1-12 Sơ đồ đường thải động cơ diezel
1- Đường ống thải ;2- Ống góp thải; 3-Bộ giảm âm
Hỗn hợp nhiên liệu sau khi cháy được dẫn ra khỏi xylanh động cơ bỡi các
nhánh ống thải, đi vào ống góp thải tới bộ giảm âm rồi thải ra ngoài môi trường
1.2.3 Đường nạp thải của động cơ diezen tăng áp
Hình 1-13 Sơ đồ nạp thải của động cơ diezen tăng áp
11
Khảo sát hệ thống nạp-thải trên động cơ 1NZ-FE

1-Động cơ; 2-Mạch giảm tải; 3-Van điều tiết; 4-Máy nén ;
5-Bầu lọc không khí; 6-Bộ làm mát trung gian;7- Khoang khí nạp.
Ở động cơ diezen, tận dụng dụng năng lượng của dòng khí thải, trên đường ống thải
có bố trí tuabin tăng áp để tăng áp dòng khí nạp
Dòng khí thải đi vào bánh tuabin truyền động năng làm quay trục dẫn động
bánh nén, khí nạp được tăng áp đi vào đường ống nạp động cơ. Áp suất tăng áp khí
nạp phụ thuộc vào tốc độ động cơ (tốc độ dòng khí thải hay tốc độ quay của bánh
tuabin ). Với mục đích ổn định tốc độ quay của bánh tuabin trong khoảng hoạt động
tối ưu theo số vòng quay của động cơ trên đường nạp có bố trí mạch giảm tải. Mạch
giảm tải làm việc nhờ van điều tiết thông qua đường khí phản hồi và cụm xi lanh.
Khi áp suất tăng van mở 1 phần khí thải không qua bánh tuabin, thực hiện giảm tốc
độ cho bánh nén khí nạp, hạn chế sự gia tăng quá mức của áp suất khí nạp.
Van điều tiết và mạch giảm tải: Van điều tiết được gắn vào vỏ tuabin. Khi
động cơ làm việc ở tải cao, áp suất khí thải rất lớn, vì thế cánh tuabin làm việc với
tốc độ cao làm tăng cao áp suất không khí nạp, nạp vào động cơ. Mạch giảm tải làm
nhiệm vụ điều khiển van điều tiết thải bớt khí thải động cơ từ trước cửa vào tuabin,
ra trực tiếp ống thải.
1.2.4 Phương án bố trí đường nạp và đường thải trên nắp máy động cơ diezen
Để tránh sự truyền nhiệt từ đường dẫn khí thải làm giảm lượng khí nạp vào
động cơ dẫn tới làm giảm công suất động cơ, nên đường nạp và đường thải ở động
cơ diezen thường được bố trí về hai phía
3
2
1
Hình 1-14 Sơ đồ bố trí đường nạp và thải hai phía khác nhau
1- Nắp máy;2- Đường thải; 3- Đường nạp
12
Khảo sát hệ thống nạp-thải trên động cơ 1NZ-FE
3
1

2
Hình 1-15 Sơ đồ bố trí đường nạp và thải hai phía khác nhau
1- Nắp máy;2- Đường thải; 3- Đường nạp
1.3. Các hệ thống phụ trợ cho quá trình nạp thải của động cơ đốt trong
Để hạn chế các chất ô nhiễm trong khí thải và tối ưu hoá quá trình làm việc
của động cơ. Trong động cơ đốt trong còn có các hệ thống phụ trợ sau:
+ Hệ thống thông hơi cạc te
Khe hở giữa pittông và xylanh được bít kín nhờ xéc măng nhưng bản thân xec
măng cũng không làm kín được hoàn toàn, hơi xăng và khí cháy sẽ len lỏi qua khe
hở này trong các trường hợp: xì qua khe hở có sẵn; xì qua khi áp suất trong xylanh
tăng cao vào kỳ nén và kỳ nỗ; hoặc xì ngược lại khi áp suất trong xylanh giảm
xuống hay áp suất trong cạc te tăng cao.
Khí lọt xuống hộp trục khuỷu gồm có HC, CO, bồ hóng, muội than, hơi nước,
lưu huỳnh và axit. Các chất này nếu không đưa ra khỏi cạc te sẽ làm cho chi tiết
máy bị ăn mòn bởi lưu huỳnh và axít, nhớt bị phân hủy tạo thành sình bùn đọng
dưới đáy cạc te gây tắc nghẽn mạch nhớt. Để tránh ô nhiễm môi trường và giữ sạch
cacte nên trên các động cơ có bố trí hệ thống thông hơi cạc te kín.
+ Hệ thống điều khiển hồi lưu khí thải
Hệ thống hồi lưu khí thải ( EGR ) là một hệ thống dùng để đưa một phần khí
thải vào tái tuần hoàn trong hệ thống nạp khí, khí thải được trộn lẫn với hỗn hợp
không khí-nhiên liệu thì sự lan truyền ngọn lửa trong buồng đốt bị chậm lại, bởi vì
phần lớn khí thải là trơ (không cháy được) nhiệt độ cháy cũng giảm xuống (vì khí
trơ hấp thụ nhiệt tỏa ra) từ đó làm giảm lượng khí độc hại NOx sinh ra.
+ Hệ thống kiểm soát thải hơi xăng
13
Khảo sát hệ thống nạp-thải trên động cơ 1NZ-FE
Hệ thống kiểm soát thải hơi xăng là một hệ thống tạm thời hấp thụ hơi nhiên
liệu vào bộ lọc than hoạt tính và dẫn nó vào động cơ để đốt cháy, nhờ vậy mà không
cho nhiên liệu bay hơi từ thùng nhiên liệu lọt ra ngoài khí quyển gây ô nhiễm môi
trường.

Các hệ thống phụ trợ này sẽ được tìm hiểu kỹ hơn ở phần khảo sát động cơ 1NZ-FE
1.4. Đặc điểm quá trình nạp-thải trong động cơ đốt trong.
Hai quá trình nạp và thải liên quan mật thiết với nhau, tuỳ theo số kỳ của động
cơ và phương pháp thải nạp, có những thời điểm chúng xảy ra cùng một lúc. Vì vậy
khi phân tích quá trình nạp cần lưu ý đến những thông số đặc trưng của quá trình
thải, tức là phải xét chung các hiện tượng của quá trình thay đổi môi chất.
Trong động cơ 4 kỳ, quá trình thay đổi môi chất được thực hiện lúc bắt đầu mở
xu páp thải (điểm b’ ). Từ b’ đến ĐCD nhờ chênh áp, sản vật cháy tự thoát ra đường
thải. Sau đó, từ ĐCD tới ĐCT, nhờ sức đẩy cưỡng bức của piston, sản vật cháy
được đẩy tiếp. Tại ĐCT (điểm r ), sản vật cháy chứa đầy thể tích buồng cháy V
c
với
áp suất p
r
> p
thải
, tạo ra chênh áp Δpr. Chênh áp Δpr phụ thuộc vào hệ số cản, tốc độ
dòng khí n qua xu páp thải và vào trở lực của bản thân đường thải.
Xu páp thải thường được đóng sau ĐCT (đóng muộn ) nhằm tăng thêm giá trị
“ tiết diện - thời gian “ mở cửa thải, đồng thời để tận dụng chênh áp Δpr và quán
tính của dòng khí thải tiếp tục đẩy khí sót ra ngoài.
1.4.1. Quá trình nạp.
Quá trình nạp môi chất mới vào xi lanh được thực hiện khi piston đi từ ĐCT
xuống ĐCD. Lúc đầu ( tại điểm r ), do p
r
> p
k
(p
k
– áp suất môi chất mới trước xu

páp nạp ) và do p
r
> p
th
nên một phần sản vật cháy trong thể tích V
c
vẫn tiếp tục
chạy ra ống thải, bên trong xi lanh khí sót giãn nở đến điểm r
o
rồi từ đó trở đi, môi
chất mới có thể bắt đầu nạp vào xi lanh.
14
Khảo sát hệ thống nạp-thải trên động cơ 1NZ-FE
V
c
P
k
P
k
P
a
P
th
V
P
a
b'
b
r
o

r
P
a
V
a
P
r
V
h
Hình 1-16. Đồ thị công của quá trình trao đổi khí trong động cơ 4 kỳ
Quá trình nạp lệ thuộc vào rất nhiều yếu tố, khiến cho môi chất mới nạp vào xi
lanh trong mỗi chu trình nhỏ hơn lượng nạp lý thuyết, được tính bằng số môi chất
mới chứa đầy thể tích công tác V
h
có nhiệt độ T
k
và áp suất p
k
của môi chất mới ở
phía trước xu pap nạp (đối với động cơ điêden) hoặc của môi chất mới ở phía trước
bộ chế hoà khí (đối với động cơ xăng). Các thông số sau đây ảnh hưởng chính tới
quá trình nạp :
+ Áp suất cuối quá trình nạp p
a
Áp suất cuối quá trình nạp có ảnh hưởng lớn tới công suất động cơ. Muốn tăng
áp suất cuối quá trình nạp người ta sử dụng các biện pháp sau :
- Tạo đường nạp có hình dạng khí động tốt, tiết diện lưu thông lớn và phương
hướng lưu động thay đổi từ từ, ít ngoặt.
- Dùng xu páp có đường kính lớn hoặc dùng nhiều xu páp. Động cơ 1NZ-FE
sử dụng hai xu páp nạp và hai xu páp thải cho mỗi máy, do đó tăng được lượng khí

lưu thông trong mỗi chu trình, tăng áp suất p
a
.
+ Lượng khí sót :
Cuối quá trình thải, xi lanh còn lưu lại 1 ít sản vật cháy gọi là khí sót. Trong
quá trình nạp, số khí sót trên sẽ giãn nở, chiếm chỗ trong xi lanh và trộn với khí nạp
mới ,làm giảm lượng khí nạp mới. Vì vậy giảm lượng khí sót sẽ làm tăng lượng khí
nạp vào , làm tăng công suất động cơ. Các biện pháp sau làm giảm lượng khí sót :
- Dùng động cơ tăng áp. Phương pháp này thường được sử dụng trên động cơ
điêden do không bị hạn chế bởi khả năng kích nổ.
15
Khảo sát hệ thống nạp-thải trên động cơ 1NZ-FE
- Tăng góc trùng điệp các xu páp nạp và thải. Phương pháp này áp dụng cho cả
động cơ xăng và điêden.
+ Nhiệt độ sấy nóng môi chất mới ΔT
Đi trên đường nạp và vào xi lanh, môi chất mới tiếp xúc với các bề mặt nóng
của động cơ, được sấy nóng và tăng nhiệt độ lên một gia số ΔT.
ΔT = ΔT

t

– ΔT
b.h
Trong đó :
ΔT

t
- mức tăng nhiệt độ của môi chất mới do sự truyền nhiệt từ các bề mặt nóng
ΔT
b.h

- mức giảm nhiệt độ của môi chất mới do bay hơi của nhiên liệu .
ΔT = 20 ÷ 40
o
C - đối với động cơ điêden;
ΔT = 0 ÷ 20
o
C - đối với động cơ xăng.
+ Nhiệt độ môi chất cuối quá trình nạp T
a
Nhiệt độ môi chất cuối quá trình nạp T
a
cũng ảnh hưởng tới mật độ môi chất
mới nạp vào xi lanh. Tăng T
a
làm giảm mật độ môi chất mới nạp vào xi lanh và
ngược lại. Nhiệt độ môi chất cuối quá trình nạp T
a
lớn hơn T
k
( nhiệt độ môi chất
mới trước xu páp nạp ) và nhỏ hơn T
r
( nhiệt độ khí sót ) là do kết quả của việc
truyền nhiệt từ các bề mặt nóng tới môi chất mới khi tiếp xúc và việc hoà trộn của
môi chất mới với khí sót nhiều hơn. Các quá trình trên diễn ra riêng lẻ trên đường
nạp hoặc đồng thời trên xi lanh động cơ.
- Hệ số nạp :
Hệ số nạp η
v
là tỉ số giữa lượng môi chất mới thực tế nạp vào xi lanh ở đầu quá

trình nén khi đã đóng các cửa nạp và cửa thải so với lượng môi chất mới lý thuyết
có thể nạp đầy vào thể tích công tác của xi lanh V
h
ở điều kiện áp suất và nhiệt độ
môi chất phía trước xu páp nạp. Môi chất mới của động cơ điêden là không khí , của
động cơ xăng là hoà khí của không khí và hơi xăng tạo thành. Các yếu tố ảnh hưởng
đến hệ số nạp của động cơ 4 kỳ bao gồm: áp suất p
a
và nhiệt độ T
a
của môi chất cuối
quá trình nạp ; nhiệt độ sấy nóng môi chất mới ΔT ; hệ số khí sót γ
r

; nhiệt độ T
r
và
áp suất p
r
; tỉ số nén ε; hệ số quét buồng cháy λ
2

và hệ số nạp thêm λ
1
. Những thông
số trên có liên hệ qua lại mật thiết với nhau và mỗi thông số lại phụ thuộc vào các
yếu tố khác. Vì vậy song song với việc phân tích ảnh hưởng của từng thông số riêng
16
Khảo sát hệ thống nạp-thải trên động cơ 1NZ-FE
biệt phải phân tích ảnh hưởng tổng hợp của chúng tới hệ số nạp η

v
theo các chế độ
làm việc cụ thể của động cơ
- Các biện pháp chính làm tăng hệ số nạp và giảm cản cho đường nạp :
Hệ thống đường nạp của động cơ gồm: bình lọc khí, bộ chế hoà khí, đường
nạp chung, các nhánh nạp của các xi lanh và xu pap đều gây cản đối với dòng khí
nạp. Làm thế nào để giảm cản cho hệ thống này là vấn đề đáng lưu ý. Muốn giảm
trở lực của hệ thống cần có tiết diện lớn của đường thông qua đó giảm tốc độ của
dòng chảy, cần chú ý đặc biệt đến lực cản cục bộ do chuyển hướng dòng hoặc do
tăng giảm đột ngột tiết diện lưu thông của dòng tạo ra. Khi tìm biện pháp giảm cản
cho đường nạp cần phải lưu ý tới nhiều yếu tố khác nhau.
+ Bình lọc
Khi tìm cách giảm cản cho bình lọc, trước tiên phải chú ý tới hiệu quả lọc.
Phải đòi hỏi giảm trở lực tới mức nhỏ nhất trên cơ sở đảm bảo tốt hiệu quả lọc.
Trong lúc sử dụng cần thường xuyên bảo dưỡng bình lọc, tuyệt đối tránh không để
dầu bẩn gây tắc lõi lọc giấy, phải thay lõi lọc kịp thời.
+ Bộ chế hoà khí
Muốn cho họng đạt được tác dụng mong muốn lại giảm bớt trở lực, người ta
lắp nối tiếp hai, ba họng lớn nhỏ khác nhau để nhiên liệu được phun vào họng nhỏ,
nơi có độ chân không cao nhất, phần đuôi của họng nhỏ, đặt tại nơi thắt nhỏ nhất
của họng lớn. Tiết diện lưu thông của họng lớn được chọn theo yêu cầu nạp môi
chất mới của động cơ, còn họng nhỏ được chọn theo yêu cầu về độ chân không để
hút và xé tơi nhiên liệu.
+ Đường ống nạp :
Hình dạng, kích thước của ống nạp gây ảnh hưởng lớn tới hệ số nạp, tới mức
độ phun tơi và bay hơi của nhiên liệu và sự phân phối về số lượng và thành phần
hoà khí vào các xi lanh, đây là vấn đề tương đối phức tạp. Nếu làm tiết diện ống nạp
lớn để giảm cản thì sẽ làm tăng tiêu hao nhiên liệu và thành phần hoà khí vào các xi
lanh không đều nhau. Vì vậy một số động cơ xăng, muốn đạt yêu cầu ít tiêu hao
nhiên liệu ở tải nhỏ, phải chấp nhận mất mát 1 ít công suất bằng cách dùng ống nạp

có tiết diện nhỏ một chút. Và để hoà khí có thành phần và khối lượng đều nhau
người ta còn cố ý gây ngoằn ngoèo ở một vài đoạn ống.
17
Khảo sát hệ thống nạp-thải trên động cơ 1NZ-FE
+ Các nhánh ống nạp tới các xi lanh và xu páp nạp:
Trong hệ thống nạp của động cơ, xu páp nạp là nơi có tiết diện lưu thông nhỏ
nhất nên trở thành bộ phận quan trọng nhất của lực cản đường nạp. Người ta thường
giảm đường kính xu páp thải để tăng đường kính xu páp nạp, tăng hành trình cực
đại, tăng tốc độ đóng mở các xu páp, tăng thời gian giữ xu páp ở vị trí mở lớn nhất
để tăng khả năng lưu thông qua xu páp.
Cấu tạo của nhánh ống nạp, nhất là phần sát với xu páp gây ảnh hưởng lớn tới
lực cản của đường nạp. Muốn có hình dạng đường nạp tốt nhất phải thử nghiệm trên
mô hình làm bằng vật liệu dẻo cho tới khi đạt hiệu quả cao nhất.
Các thử nghiệm đã đem lại những kết quả có giá trị. Phía trước xu páp nạp,
thêm một vấu nhô trơn tròn tạo họng thắt hợp lý có thể làm giảm cản cho đường
nạp. Nếu lắp ống Laval trên miệng đi vào xu páp nạp sẽ làm tăng lưu lượng hoà khí
một cách rõ rệt khi chạy ở tốc độ cao. Mở rộng đường nạp và tránh những đường
ngoặt gấp sẽ có thể giảm bớt lực cản .v.v…
Dạng cửa vào phải được thiết kế để cho không khí vào sẽ quay hoặc xoáy
quanh trục của xi lanh. Độ xoáy được thay đổi với mỗi kiểu và kích cỡ buồng cháy
được sử dụng.
1.3.2. Quá trình thải
Nhiều vấn đề của quá trình thải đã được trình bày khi nghiên cứu về quá trình
nạp, ở đây chỉ giới thiệu bổ sung một số vấn đề.
a- Thải sạch và công tiêu hao cho quá trình thay đổi môi chất :
Để thải sạch khí sót và nạp đầy môi chất mới vào xi lanh, hầu hết các động cơ
hiện đại đều sử dụng hiệu ứng động của dao động áp suất trong hệ thống nạp thải
nhằm tạo nên sóng áp dương ở khu vực xu páp nạp trước khi kết thúc quá trình nạp
và tạo nên sóng áp âm ở khu vực xu páp xả trước khi kết thúc quá trình thải. Ở động
cơ tăng áp người ta lợi dụng chênh áp từ đường nạp– xi lanh - đường thải để mở

rộng, kéo dài thời kì trùng điệp của các xu páp để quét buồng cháy, thải sạch khí sót
và nạp đầy môi chất mới vào xi lanh.
Công tiêu hao cho quá trình thay đổi môi chất được thể hiện bằng diện tích đồ
thị p – V giữa đường nạp và đường thải. Nếu đường thải nằm cao hơn đường nạp
(động cơ không tăng áp hình 1.10a ) thì công tiêu hao cho thời kì thay đổi môi chất
18
Khảo sát hệ thống nạp-thải trên động cơ 1NZ-FE
là công âm. Nếu đường thải thấp hơn đường nạp (động cơ tăng áp hình 1.10b ) thì
đó là công dương.
Hình 1-17 Diễn biến quá trình thải trong động cơ 4 kỳ
a) Diễn biến quá trình thải trong động cơ 4 kỳ, không tăng áp
b) Diễn biến quá trình thải trong động cơ 4 kỳ, tăng áp
b- Vấn đề khử độc hại của khí thải động cơ :
Khí thải từ xi lanh động cơ đi ra môi trường, ngoài các sản vật cháy hoàn toàn
CO
2
, H
2
O, N
2
, còn chứa các sản vật chưa được cháy hoàn toàn, các sản vật được
phân giải từ sản vật cháy hoặc từ nhiên liệu. Nhiều chất trong khí thải rất độc đối
với sức khoẻ con người như : CO, NO
X
, khí SO
2
và H
2
S, các alđêhit, các hiđro các
bon thơm, các hợp chất của chì.Vì vậy vấn đề đặt ra là làm sao để giảm thiểu ô

nhiễm môi trường do khí thải từ động cơ.Vấn đề đó được giải quyết theo 2 hướng
sau: hoàn thiện chu trình làm việc của động cơ và lắp thiết bị trung hoà trên hệ
thống thải.
Để hoàn thiện chu trình làm việc của động cơ có thể thực hiện bằng các giải pháp
sau:
- Tối ưu hoá cấu tạo của buồng cháy để hạn chế sự hình thành HC.
- Tăng cường chuyển động rối và chuyển động xoáy lốc của môi chất.
- Tối ưu hoá tỷ số nén ε.
- Tối ưu hoá vị trí đặt bugi
- Cải thiện quá trình phân phối khí và cơ cấu phân phối khí.
- Tối ưu hoá kết cấu đường thải nhằm thải sạch và nạp đầy.
19
Khảo sát hệ thống nạp-thải trên động cơ 1NZ-FE
- Cải thiện chất lượng hình thành hoà khí .
- Giảm công suất tổn hao ma sát và dẫn động các cơ cấu phụ của động cơ.
- Tối ưu hoá quá trình đánh lửa bằng hệ thống đánh lửa điện tử chương trình hoá.
- Dùng biện pháp phân lớp hoà khí đảm bảo cho khu vực cực bugi luôn có α =
0,85÷0,90 để đảm bảo trên toàn bộ buồng cháy α >1 nhằm giảm lượng CO và NO
X

- Lắp thêm một hệ thống van và đường ống đảm bảo cho động cơ hoạt động tốt ở
chế độ không tải cưỡng bức, không gây ô nhiễm môi trường khi hoạt động ở chế độ
này .
2. Giới thiệu chung về động cơ 1NZ-FE.
Động cơ 1NZ-FE được lắp trên xe Toyota Vios. Xe Toyota Vios là loại xe du
lịch 5 chỗ ngồi với ba loại Vios Limo, Vios 1.5E (sử dụng hộp số thường C50) và
Vios 1.5G (sử dụng hộp số tự động U340E) Khả năng giảm xóc, chống rung tốt,
hệ thống điều khiển phanh điện tử ABS, hệ thống lái trợ lực điện tạo cảm giác
thoải mái và êm dịu cho mọi hành khách trong xe trên mọi nẻo đường.
Các thông số kỹ thuật của xe Vios:

Bảng 2-1 Trọng lượng và kích thước xe
Loại xe Vios Limo
Trọng lượng toàn tải 1450 kg
Trọng lượng không tải 950 kg
Dài x rộng x cao toàn bộ 4285mm x 1700mm x 1460mm
Chiều dài cơ sở 2550 mm
Chiều rộng cơ sở 1480 mm
Khoảng sáng gầm xe 150 mm
Bảng 2-2 Động cơ
Loại động cơ 1NZ-FE
Kiểu
4 xilanh thẳng hàng, 16 van, cam kép
DOHC có VVT-I, dẫn động xích.
Dung tích công tác
1497 cm
3
Đường kính xy lanh D
75 mm
Hành trình piston S
84,7 mm
Tỉ số nén
10,5
Công suất tối đa
81Kw/6000 rpm
20
Khảo sát hệ thống nạp-thải trên động cơ 1NZ-FE
Mô men xoắn tối đa
142/4200 (N.m/rpm)
Hệ thống phun nhiên liệu
SFI

Chỉ số Octan của nhiên liệu RON
91
Cơ cấu phối khí
16 xupap dẫn động bằng xích,có VVT-i
Thời
điểm
phối
khí
Nạp Mở
-7
0
~ 53
0
BTDC
Đóng
52
0
~ -8
0
ABDC
Xả Mở 42
0
BTDC
Đóng
2
0
ABDC
Chất lượng dầu
5W-30
2.1.Đặc điểm kết cấu các cụm chi tiết chính của động cơ 1NZ-FE

2.1.1.Cơ cấu trục khuỷu-thanh truyền-piston
a) Trục khuỷu
Hình 2-1 Trục khuỷu
1- Đầu trục khuỷu ; 2- Rotor cảm biến vị trí trục khuỷu ; 3- Lỗ dẫn dầu bôi trơn ;
4- Cổ trục ;5- Chốt khuỷu ; 6- Đối trọng; 7- Đuôi trục khuỷu
Trục khuỷu của động cơ 1NZ-FE được chế tạo gồm một khối liền, vật liệu
chế tạo bằng thép cacbon, các bề mặt gia công đạt độ bóng cao, có 5 cổ trục và 4 cổ
biên, má có dạng hình ôvan. Đường kính và bề rộng của chốt khuỷu và cổ trục
chính được giảm để giảm khối lượng
b) Thanh truyền
21
Khảo sát hệ thống nạp-thải trên động cơ 1NZ-FE
Hình 2-2 Thanh truyền
1- Nắp đầu to thanh truyền; 2- Bu lông thanh truyền; 3- Thân thanh truyền;
4- Đầu nhỏ thanh truyền.
Tiết diện thanh truyền của động cơ 1NZ-FE có dạng chữ I. Đầu nhỏ thanh
truyền có dạng hình trụ rỗng và được lắp tự do với chốt piston. Đầu to thanh truyền
được cắt thành hai nửa phần trên nối liền với thân phần dưới là nắp đầu to thanh
truyền và lắp với nhau bằng bulông thanh truyền, mặt phẳng lắp ghép vuông góc
với đường tâm trục thân thanh truyền. Bulông thanh truyền là loại bulông chỉ chịu
lực kéo, có mặt gia công đạt độ chính xác cao để định vị.
c) Pittông
Hình 2-3 Pittông
1- Bệ chốt piston; 2- Thân piston; 3- Đầu piston; 4- Đỉnh piston
Pittông của động cơ 1NZ-FE được làm bằng hợp kim nhôm, phần đỉnh được
thiết kế đặc biệt để cải thiện chất lượng cháy. Séc măng áp lực thấp được sử dụng
để giảm ma sát và nâng cao tính kinh tế nhiên liệu và chất lượng dầu bôi trơn được
nâng cao.
Chân pittông có dạng vành đai để tăng độ cứng vững. Để điều chỉnh trọng
lượng của pittông, người ta thường cắt bỏ một phần kim loại ở phần chân pittông

nhưng vẫn đảm bảo được độ cứng vững cần thiết cho pittông .
2.1.2. Nhóm thân máy –nắp máy
22
Khảo sát hệ thống nạp-thải trên động cơ 1NZ-FE
Hình 2-4 Nắp máy
1-Đường nạp; 2-Đường thải
Nắp máy được đúc bằng hợp kim nhôm nhẹ, các trục cam đều được phân
bố trên đầu nắp máy. Lắp đặt kim phun trong cửa nạp khí của nắp máy kết quả là sự
tiếp xúc của nhiên liệu đập vào thành cửa nạp được tối thiếu hoá và tính kinh tế
nhiên liệu được nâng cao. Áo nước được lắp đặt giữa cửa xả và lỗ bu gi trên nắp
máy để giữ nhiệt độ đồng đều cho thành buồng cháy, điều này nâng cao chất lượng
làm mát cho buồng cháy và khu vực xung quanh bu gi.
Thân máy được làm bằng hợp kim nhôm mà mục đích của việc này là
giảm khối lượng cho động cơ. Bơm nước xoáy lốc và đường hút đến bơm được
cung cấp đến thân máy. Đặt tâm trục khuỷu lệch với đường tâm lỗ xi lanh, đường
tâm của xi lanh được dịch chuyển 12 mm về phía đường nạp. Như vậy, tác dụng của
lực ngang khi áp suất khí thể lớn nhất sẽ giảm. Sử dụng ống lót xi lanh thành mỏng,
khoảng cách giữa hai xi lanh là 8 mm nên chiều dài động cơ ngắn hơn.
23
Khảo sát hệ thống nạp-thải trên động cơ 1NZ-FE
Hình 2-5 Thân máy
1- Đường tâm trục khuỷu; 2- Đường tâm các xi lanh; A- Phía đầu động cơ;
B- Phía đường thải; C- Phía đường hút
2.1.3. Cơ cấu phân phối khí.
24
Khảo sát hệ thống nạp-thải trên động cơ 1NZ-FE
Hình 2-6 Sơ đồ bố trí cơ cấu phân phối khí
1-Tay căng xích; 2-Thiết bị kéo căng; 3- Bộ điều khiển phối khí (VVT-i); 4-Xích
dẫn động trục cam; 5-Trục cam nạp; 6-Trục cam thải; 7-Bộ phận dẫn hướng xích
Thông thường thời điểm phối khí được cố định nhưng ở động cơ 1NZ-FE sử

dụng hệ thống thay đổi thời điểm phối khí thông minh (VVT-i), hệ thống này sử
dụng áp suất dầu thủy lực để xoay trục cam nạp và làm thay đổi thời điểm phối khí.
Điều này làm tăng công suất động cơ, cải thiện tính kinh tế nhiên liệu và làm giảm
khí thải độc hại gây ô nhiễm môi trường.
Ở mỗi xylanh có hai xúpap nạp và hai xúpap thải, các xúpap được đóng mở
trực tiếp bởi hai trục cam. Các trục cam được dẫn động bằng xích, bước xích là 8
mm điều này giúp cho không gian bố trí được gọn hơn. Để làm được điều này vật
liệu được dùng để chế tạo xích có tính chịu mài mòn rất cao luôn đảm bảo độ tin
cậy, xích được bôi trơn bằng dầu bôi trơn động cơ thông qua một vòi phun.
Thiết bị kéo căng, tay căng xích và bộ phận dẫn hướng xích được thiết lập để
giảm bớt tiếng ồn động cơ, giảm bớt tổn thất do ma sát.
Thân xúpap được thiết kế nhỏ, vừa giảm bớt trở lực trên đường nạp, thải và giảm
khối lượng.
Hình 2-7 Sơ đồ dẫn động xúpap
1-Xúpap; 2-Con đội; 3-Vấu cam
Bảng 2-3 Thông số kỹ thuật
Hạng mục Xupap nạp Xupap thải
Đường kính mặt nấm(mm) 30,5 25,5
25