Tính kiểm nghiệm các chi tiết trong cơ cấu phân phối khí động cơ duratec

Nguyễn Thanh Nhàn
Chương 1
Tổng quan về hệ thống phân phối khí của động cơ đốt trong:
1.1. Mục đích, phân loại, yêu cầu hệ thống phân phối khí:
1.1.1. Mục đích:
Hệ thống phân phối khí có nhiệm vụ thực hiện quá trình thay đổi khí trong động
cơ. Thải sạch khí thải ra khỏi xilanh và nạp đầy hỗn hợp nạp hoặc không khí mới vào
xilanh động cơ để động cơ làm việc được liên tục, ổn định, phát huy hết công suất
thiết kế.
1.1.2. Yêu cầu:
Cơ cấu phối phải đảm bảo các yêu cầu sau: Quá trình thay đổi khí phải hoàn hảo,
nạp đầy thải sạch. Đóng mở xupáp đúng quy luật và đúng thời gian quy định. Độ mở
lớn để dòng khí lưu thông, ít trở lực. Đóng xupáp phải kín nhằm đảm bảo áp suất nén,
không bị cháy do lọt khí. Xupáp thải không tự mở trong quá trình nạp. Ít va đập, tránh
gây mòn. Dễ dàng điều chỉnh, sửa chữa, giá thành chế tạo thấp.
1.1.3. Phân loại:
Cơ cấu phân phối khí dùng xupáp: Là loại cơ cấu được sử dụng rộng rãi trong
động cơ 4 kỳ vì nó có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, dễ điều chỉnh và làm việc chính
xác hiệu quả, mang lại hiệu suất cao.
Cơ cấu phối khí dùng van trượt: Là loại cơ cấu tuy có nhiều ưu điểm như có thể
đảm bảo tiết diện lưu thông lớn, dễ làm mát, ít gây ồn… Nhưng do kết cấu khá phức
tạp, giá thành cao nên rất ít được dùng.
Trong một số động cơ hai kỳ, việc nạp thải khí bằng lỗ (quét vòng), piston của
chúng làm nhiệm vụ của van trượt, đóng mở lỗ thải và lỗ nạp. Loại dùng trong động
cơ này không có cơ cấu dẫn động van trượt riêng nên vẫn dùng cơ cấu khuỷu trục –
thanh truyền dẫn động piston.
Cơ cấu phân phối khí hỗn hợp thường dùng lỗ để nạp và xupáp để thải khí.
1.2. Hệ thống phân phối khí dùng trong động cơ hai kỳ:
Trong động cơ hai kỳ, quá trình nạp đầy môi chất mới vào xilanh động cơ chỉ
chiếm khoảng 120
0

đến 150
0
góc quay trục khuỷu. Quá trình thải trong động cơ hai kỳ
chủ yếu dùng không khí quét có áp suất lớn hơn áp suất khí trời để đẩy sản vật cháy ra
ngoài. Ở quá trình này sẽ xảy ra sự hòa trộn giữa không khí quét với sản vật cháy,
đồng thời cũng có các khu vực chết trong xilanh không có khí quét tới. Chất lượng các
quá trình thải sạch sản vật cháy và nạp đầy môi chất mới trong động cơ hai kỳ chủ yếu
phụ thuộc vào đặc điểm của hệ thống quét thải.
Hiện nay trên động cơ hai kỳ thường sử dụng các hệ thống quét thải sau:
+ Hệ thống quét vòng đặt ngang theo hướng song song:
1
Nguyễn Thanh Nhàn
Được sử dụng chủ yếu trên động cơ hai kỳ cỡ nhỏ.
Đặc điểm: Dùng cácte làm máy nén khí để tạo ra không khí quét. Cửa quét thường
đặt xiên lên hoặc đỉnh piston có kết cấu đặc biệt để dẫn hướng dòng không khí quét
trong xilanh.
+ Hệ thống quét vòng đặt ngang theo hướng lệch tâm:
Thường dùng trên các động cơ hai kỳ có công suất lớn.
Đặc điểm: Cửa quét đặt theo hướng lệch tâm, xiên lên và hợp với đường tâm
xilanh một góc 30
0
, do đó khi dòng không khí quét vào xilanh sẽ theo hướng đi lên tới
nắp xilanh mới vòng xuống cửa thải.
Đây là hệ thống quét thải hoàn hảo nhất, nó cho các chỉ tiêu công tác của động cơ
và áp suất không khí quét lớn.
+ Hệ thống quét vòng đặt ngang phức tạp:
Đặc điểm: Có hai hàng cửa quét, hàng trên đặt cao hơn cửa thải, bên trong có bố
trí van một chiều để sau khi đóng kín cửa thải vẫn có thể nạp thêm môi chất công tác
mới vào hàng lổ phía trên.
Áp suất khí quét lớn nhưng do kết cấu có nhiều van tự động nên phức tạp. Chiều

cao các cửa khí lớn làm tăng tổn thất hành trình piston, giảm các chỉ tiêu công tác của
động cơ.
+ Hệ thống quét vòng đặt một bên:
Chỉ sử dụng cho các động cơ hai kỳ tĩnh tại, động cơ tàu thủy cỡ nhỏ có tốc độ
trung bình.
Đặc điểm: Các cửa khí đặt một bên của thành xilanh theo hướng lệch tâm cửa quét
nghiêng xuống một góc 15
0
. Trong hệ thống có thể có van xoay để đóng cửa thải sau
khi kết thúc quét khí nhằm giảm tổn thất khí quét.
+ Hệ thống quét thẳng qua xupáp thải:
Đặc điểm: Cửa quét đặt xung quanh xilanh theo hướng tiếp tuyến. Xupáp thải
được đặt trên nắp xilanh. Dòng khí quét chỉ đi theo một chiều từ dưới lên nắp xilanh
rồi theo xupáp thải ra ngoài nên dòng không khí quét ít bị hòa trộn với sản vật cháy và
khí thải được đẩy ra ngoài tương đối sạch, do đó hệ số khí sót nhỏ và áp suất dòng khí
nạp lớn.
Để lựa chọn góc phối khí tốt nhất làm cho quá trình nạp hoàn thiện hơn. Cửa quét
đặt theo hướng tiếp tuyến nên dòng không khí quét đi vào xilanh tạo thành một vận
động xoáy do đó quá trình hình thành hỗn hợp khí và quá trình cháy xảy ra tốt hơn,
đồng thời làm tăng tiết diện lưu thông nên giảm được sức cản trong quá trình quét khí.
2
Nguyễn Thanh Nhàn
Hình 1-1 Một số phương án quét thải trên động cơ hai kỳ.
a) - Hệ thống quét thẳng dùng piston đối đỉnh; b) - Hệ thống quét vòng đặt ngang theo
hướng lệch tâm; c) - Hệ thống quét vòng đặt ngang phức tạp; d) - Hệ thống quét thẳng
qua xupáp thải; e) - Hệ thống quét vòng đặt một bên.
1.3. Hệ thống phân phối khí trong 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 phối khí dùng
xupáp đặt…
I.3.1. Các phương án bố trí xupáp và dẫn động xupáp:
+ 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 nên làm cho đường
nạp trở thành đơn giản hơn.
3
Nguyễn Thanh Nhàn
Hình 1-2 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;
Ưu điểm của phương án này là chiều cao động cơ giảm xuống, kết cấu của nắp
xilanh đơn giản, dẫn động xupáp cũng dễ dàng.
Tuy vậy có khuyết điểm là buồng cháy không gọn, có dung tích lớn. Một khuyết
điểm nữa là đường nạp, thải phải bố trí trên thân máy phức tạp cho việc đúc và gia
công thân máy, đường thải, nạp khó thanh thoát, tổn thất nạp thải lớn.
+ Cơ cấu phân phối khí dùng xupáp treo:
Xupáp đặt trên nắp 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: Tạo được buồng cháy 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 kiện thiết kế để dòng khí
lưu thông thanh thoát 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 dùng xupáp treo cũng tồn tại một số khuyết điểm
như dẫn động xupáp phức tạp và làm tăng chiều cao của động cơ, kết cấu của nắp
xilanh hết sức phức tạp, rất khó đúc và gia công.

Để dẫn động xupáp, trục cam có thể bố trí trên nắp xilanh để dẫn động trực tiếp
hoặc dẫn động qua đòn bẫy. Trường hợp trục cam bố trí ở hộp trục khuỷu hoặc ở thân
máy, xupáp được dẫn động gián tiếp qua con đội, đũa đẩy, đòn bẫy…
4
Nguyễn Thanh Nhàn
Hình 1-3 Cơ cấu phân phối khí dùng xupáp treo.
1 – Trục cam; 2 – Con đội; 3 – Đũa đẩy; 4 – Vít điều chỉnh; 5 – Trục đòn bẫy; 6 –
Đòn bẫy; 7 – Đế chặn lò xo; 8 - Lò xo xupáp; 9 - Ống dẫn hướng; 10 – Xupáp; 11 –
Dây đai; 12 – Bánh răng trục khuỷu.
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.
Hình 1-4 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.
5
Nguyễn Thanh Nhàn
Trong một số động cơ xăng, xupáp có khi bố trí theo kiểu hỗn hợp: xupáp nạp đặt
trên thân máy còn xupáp thải lắp chéo trên nắp xilanh. Khi bố trí như thế kết cấu của
cơ cấu phân phối khí rất phức tạp nhưng có thể tăng được tiết diện lưu thông rất nhiều
do đó có thể tăng khả năng cường hóa động cơ. Kết cấu này thường dùng trong các
loại động cơ xăng tốc độ cao.
Kết luận: So sánh ưu khuyết điểm của hai phương án bố trí xupáp đặt và treo thấy
rằng: Động cơ diezel chỉ dùng xupáp treo, do tạo được
ε
cao còn động cơ xăng có thể
dùng xupáp treo, hay đặt nhưng ngày nay thường dùng hệ thống phân phối khí kiểu
treo. Động cơ sử dụng hệ thống phân phối khí kiểu treo có hiệu suất nhiệt cao hơn.
Dùng hệ thống phân phối khí kiểu treo tuy làm cho kết cấu quy lát rất phức tạp và dẫn
động cũng phức tạp nhưng đạt hiệu quả phân phối khí rất tốt. Hệ thống phân phối khí

xupáp treo chiếm ưu thế tuyệt đối trong động cơ 4 kỳ.
1.3.2. 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 bánh răng.
Nếu khoảng cách trục lớn, phải dùng thêm các bánh răng trung gian hoặc dùng xích
răng.
Loại trục cam đặt trên nắp máy. Dẫn động trục cam có thể dùng trục trung gian
dẫn động bằng bánh răng côn hoặc dùng xích răng. Khi dùng hệ thống bánh răng côn
cần có ổ chắn dọc trục để chịu lực chiều trục và khống chế độ rơ dọc trục. Khi trục
cam dẫn động trực tiếp xupáp, trục cam được dẫn động qua ống trượt, trục cam dẫn
động qua đòn quay.
Phương án dẫn động bằng bánh răng có ưu điểm rất lớn là kết cấu đơn giản, do cặp
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 phải dùng
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 được trục
cam ở khoảng cách lớn. Tuy vậy phương án này có nhược điểm là đắt tiền vì giá thành
chế tạo của xích đắt hơn bánh răng nhiều. Khi xích bị mòn gây nên tiếng ồn và làm sai
lệch pha phân phối.
6
a) b)
e)
c)
d)
Nguyễn Thanh Nhàn
Hình 1-5 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.
1.4. Các chi tiết, cụm chi tiết chính trong cơ cấu phân phối khí:
1.4.1. Trục cam: Nhiệm vụ của trục cam là dẫn động và điều khiển việc đóng mở
xupáp hút và thải đúng theo chu kì hoạt động của động cơ.
Hình 1-6 Kết cấu trục cam.
1 – Đầu trục cam; 2 – Cổ trục cam; 3 – Các vấu cam; 4 – Cam lệch tâm bơm xăng; 5 –
Bánh răng dẫn động bơm dầu bôi trơn.
Trên trục cam có các vấu cam hút và xả cho mỗi xilanh. Thời điểm đóng mở
xupáp 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 động
bơm xăng, bơm cao áp vv…Hình dạng và vị trí của cam phối khí quyết định bởi thứ
7
Nguyễn Thanh Nhàn
tự làm 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 thấp như
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 cam lắp luồn
thì kích thước cổ phải còn lớn hơn các phần khác của trục cam. Đôi khi để dễ lắp
người ta làm đường kính các cổ khác nhau, cổ có đường kính nhỏ nhất ở phía cuối
trục.
Các ổ trục cam được ép trên thân máy đều là ống thép có tráng hợp kim chịu mài
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 hay
nắp xilanh, nửa kia làm thành nắp ổ rồi lắp lại bằng bulông hay gu giông, kết cấu này
dùng 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 máy
hoặc nắp xylanh giãn nở) khiến cho khe hở ăn khớp của bánh răng côn và bánh răng
nghiêng dẫn động trục cam thay đổi làm ảnh hưởng đến pha phân phối khí, người ta
phải dùng ổ chắn dọc trục. Trong trường hợp bánh răng dẫn động trục cam là bánh
răng côn hoặc bánh răng nghiêng, ổ chắn phải bố trí ngay phía sau bánh răng dẫn
động. Còn khi dùng bánh răng thẳng, ổ chắn có thể đặt ở bất kỳ vị trí nào trên trục
cam vì trong trường hợp này, trục cam không chịu lực dọc trục và dù trục cam hay
thân máy có giãn nở khác nhau cũng không làm ảnh hưởng đến pha phân phối khí như
trường hợp dùng bánh răng nghiêng và bánh răng côn.
8
Nguyễn Thanh Nhàn
Hình 1-7 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.
1.4.2. Con đội:
Nhiệm vụ: Là chi tiết trung gian dùng để truyền chuyển động từ trục cam đến
xupáp thông qua đũa đẩy và đòn bẩy.
Điều kiện làm việc: Con đội bị tác động bởi nhiều lực, áp lực khí nén, lực nén lò
xo xupáp và lực quán tính của các chi tiết chuyển động.
Vật liệu chế tạo: Con đội được làm bằng gang, bề mặt tiếp xúc với cam phải được
tôi cứng bằng cách xử lý nhiệt bề mặt.
Con đội có thể chia làm 3 loại chính:
+ Con đội hình nấm và hình trụ:
Là loại con đội đáy bằng dùng phổ biến trên các loại động cơ, con đội hình nấm
dùng cho hệ thống phối khí xupáp đặt, đôi khi dùng cho xupáp kiểu treo, con đội được

khoét rỗng để lắp với đũa đẩy, phần cầu lõm phải có r
c
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 mặt
cam) 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 xupáp đặt.
Thân con đội thường nhỏ, đặc, vít điều chỉnh khe hở xupáp bắt trên phần đầu của
thân.
9
Nguyễn Thanh Nhàn
Hình 1-8 Kết cấu con đội hình trụ và hình nấm.
+ Con đội con lăn: Gồm có thân, lò xo chặn, chốt và con lăn. Lò xo chặn có tác dụng
không cho con đội xoay. Ngoài ra, còn có bulông bắt trong thân máy để con đội hoạt
động đúng hướng.
Hình 1-9 Kết cấu con đội con lăn.
Con lăn được nhiệt luyện để chịu mài mòn. Cơ cấu con đội con lăn có tác dụng
làm giảm ma sát vì vậy làm giảm được mức tiêu nhiên liệu.
+ Con đội thủy lực: Để tránh hiện tượng có khe hở nhiệt gây ra tiếng ồn và va đập,
trong các xe du lịch cao cấp người ta thường dùng loại con đội thủy lực. Dùng loại
con đội này sẽ không còn tồn tại khe hở nhiệt.
Ngoài ra, dùng con đội thủy lực còn có một ưu điểm đặc biệt là có thể tự động thay
đổi trị số thời gian tiết diện của cơ cấu phân phối khí. Vì khi tốc độ động cơ tăng lên,
do khả năng rò rỉ dầu giảm đi, nên xupáp mở sớm hơn khi chạy với tốc độ này, điều
đó rất có lợi đối với quá trình nạp của động cơ.
Dùng con đội thủy lực, tuy có nhiều ưu điểm như trên, nhưng điều cần đặc biệt chú
ý là con đội thủy lực làm việc tốt hay xấu phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng của dầu
10

Nguyễn Thanh Nhàn
bôi trơn. Vì vậy dầu dùng trong động cơ có con đội thủy lực phải rất sạch và độ nhớt
ổn định, ít thay đổi.
1.4.3. Đũa đẩy:
Nhiệm vụ: Đũa đẩy là chi tiết trung gian trong cơ
cấu phân phối khí dẫn động gián tiếp. Truyền chuyển
động và lực từ con đội đến đòn bẩy.
Kết cấu: Đũa đẩy dùng trong cơ cấu phân phối
khí xupáp treo thường là một thanh thép nhỏ, dài, đặc
hoặc rỗng dùng để truyền lực từ con đội đến đòn bẩy.
Để giảm nhẹ trong lượng, đũa đẩy thường làm bằng
ống thép rỗng hai đầu hàn gắn với các đầu tiếp xúc
hình cầu (đầu tiếp xúc với con đội) hoặc mặt cầu lõm
(đầu tiếp xúc với vít điều chỉnh). Đôi khi cả hai đầu
tiếp xúc của đũa đẩy đều là hình cầu.
Vật liệu chế tạo: Đũa đẩy thường làm bằng thép cácbon thành phần trung bình, đầu
tiếp xúc làm bằng thép cácbon thành phần cácbon thấp, hàn gắn với đũa đẩy rồi tôi đạt
độ cứng HRC 50
÷
60.
1.4.4. Đòn bẩy:
Nhiệm vụ: Tiếp nhận lực truyền động từ đũa đẩy hoặc trục cam để đóng mở xupáp
theo đúng theo pha phân phối khí. Đòn bẩy được gắn trên trục của nó. Hoạt động của
đòn bẩy nhờ vào đũa đẩy hoặc cam. Nhờ có đòn bẩy xupáp đóng mở theo đúng pha
phân phối khí.
Kết cấu: Đầu tiếp xúc với đũa đẩy thường có vít điều chỉnh. Sau khi điều chỉnh
khe hở nhiệt, vít này được hãm chặt bằng đai ốc. Đầu tiếp xúc với đuôi xupáp thường
có mặt tiếp xúc hình trụ được tôi cứng. Nhưng cũng có khi dùng vít để khi mòn thay
thế được dễ dàng.
Hình 1-11 Kết cấu đòn bẩy.

11
Hình 1-10 Các dạng đũa đẩy
Nguyễn Thanh Nhàn
Mặt ma sát giữa trục và bạc lót ép trên đòn bẩy được bôi trơn bằng dầu nhờn chứa
trong phần rỗng của trục. Ngoài ra trên đòn bẩy người ta còn khoan lỗ để dẫn dầu đến
bôi trơn mặt tiếp xúc với đuôi xupáp và mặt tiếp xúc của vít điều chỉnh.
Vât liệu chế tạo: Đòn bẩy đựợc dập bằng thép cácbon thành phần cácbon trung
bình.
1.4.5. Xupáp:
Nhiệm vụ của xupáp là: Cho khí nạp vào buồng đốt và xả khí cháy ra ngoài với
thời gian ngắn trong một chu kì làm việc của piston. Xupáp hoạt động được theo chiều
thẳng đứng nhờ vào ống dẫn hướng xupáp.
Miệng xupáp được vát 30
0
hoặc 45
0
để được đóng kín với đế xupáp và dẫn nhiệt
truyền qua xupáp khi xupáp đóng. Xupáp được làm bằng thép chịu nhiệt vì xupáp nạp
phải chịu nhiệt độ khoảng 400
0
C và xupáp xả phải chịu nhiệt độ 500 – 800
0
C.
Kết cấu xupáp được chia làm 3 phần: Phần nấm, phần thân và phần đuôi. Phần
nấm do 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 đuôi có nhiệm vụ định vị lò xo khi lắp
ráp. Để tránh hao mòn thân máy và nắp xilanh người ta thường ép vào họng đường
ống nạp và thải một vòng đế xupáp.
Vật liệu chế tạo:Miếng tăng cứng là một hợp kim: Cobalt (Co) Crom (Cr) và
Tungsten (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 tăng
khả năng chịu nhiệt
Hình 1-12 Kết cấu xupáp.
a) - Nấm bằng; b) – Nấm lõm; d, đ,e) – Nấm lồi; c) – Nấm xupáp được làm rỗng.
12
a)
Nguyễn Thanh Nhàn
1.4.6. Đế xupáp: Để tránh hao mòn thân máy người ta dùng đế xupáp ép vào họng của
đường ống nạp và đường ống thải.
Hình 1-13 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 rãnh giữ
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 máy
hoặc nắp xilanh bằng ren. Loại đế mà sau khi lắp phải cán bề mặt nắp máy để kim loại
biến dạng giữ chặt đế. Loại này ít dùng.
1.4.7. 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 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 rất tốt, khi thiếu dầu bôi trơn cũng không
xảy ra hiện tượng kẹt xupáp.
Hình 1-14 Kết cấu ống dẫn hướng.
a) Ống dẫn hướng hình trụ; b) Ống dẫn hướng hình trụ có vai.
13
b)
c)

e)
Nguyễn Thanh Nhàn
1.4.7. Lò xo xupáp:
Lò xo xupáp có nhiệm vụ giữ cho xupáp đóng kín sát với đế xupáp không cho khí
nén trong buồng đốt bị lọt ra ngoài. Lò xo xupáp giữ cho các chi tiết làm việc của
xupáp nạp và xả theo sự điều khiển của các vấu cam nhờ lực lò xo trong khi xupáp
chuyển 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 ở
ngoài. 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
kín hay lò xo tác động kép. Nó đảm bảo xupáp làm việc tốt ở tốc độ cao.
Hình 1-15 Kết cấu lò xo xupáp.
a, b, c) – Lò xo xoắn ốc hình trụ; d) – Lò xo hình côn.
Do lò xo làm việc trong điều kiện tải trọng động thay đổi rất đột ngột. Vì vậy vật
liệu chế tạo lò xo thường dùng là thép C65, C65A…
1.5. Một số cơ cấu phân phối khí hiện đại:
Như chúng ta đã biết, ngày nay với tốc độ phát triển mạnh mẽ của nền khoa học
công nghệ. Các hãng sản xuất ôtô như Honda, Toyota, Ford…đã lần lượt đưa ra nhiều
sản phẩm với nhiều động cơ có những tính năng hiện đại. Một trong những tính năng
đó là việc áp dụng sự điều khiển tự động vào hệ thống phân phối khí trong động cơ.
Với sự điều khiển này sẽ làm thay đổi được góc phân phối khí phù hợp với từng dãi
tốc độ của động cơ, đảm bảo được yêu cầu của cuộc sống đặt ra như việc sử dụng
động cơ có tính kinh tế cao, tiết kiệm được lượng nhiên liệu tối thiểu khi sử dụng.
Động cơ phải phát huy được hết công suất ở những dải tốc độ khác nhau. Ngoài ra
động cơ khi làm việc cũng đảm bảo nhiều qui định về mức độ ô nhiễm môi trường của
các quốc gia cũng như yêu cầu về kinh tế của người tiêu dùng. Tuy các biện pháp tiến
hành cải tiến của các hãng sản xuất khác nhau nhưng đều tìm cách điều khiển và chế
tạo các cơ cấu để dẫn động cơ cấu phối khí gần với giá trị tính toán lý thuyết lý tưởng.
14
Nguyễn Thanh Nhàn

1.5.1. Sự khác nhau giữa cơ cấu phân phối khí hiện đại và cổ điển:
Ngoài những đặc điểm và cấu tạo giống cơ cấu phối khí cổ điển. Cơ cấu phối khí
hiện đại còn có những bộ phận đóng vai trò điều khiển thay đổi thời điểm đóng mở
của xupáp theo tốc độ của động cơ. Nhờ đó mà cơ cấu phối khí hiện đại luôn luôn làm
việc ở điều kiện tối ưu nhất.
Đối với một cơ cấu phân phối khí hiện đại sẽ khác cơ cấu phối khí cổ điển ở những
bộ phận sau: Bộ cảm ứng tốc độ quay, cơ cấu thực hiện thay đổi thời điểm đóng mở
xupáp, hệ thống điều khiển điện tử.
Bộ cảm ứng có nhiệm vụ giám sát sự thay đổi tốc độ quay của động cơ và truyền
tín hiệu về bộ điều khiển điện tử.
Cơ cấu thay đổi thời điểm đóng mở của xupáp có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ bộ
điều khiển điện tử và thực hiện theo những tín hiệu nhận được.
Bộ điều khiển điện tử có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ bộ cảm ứng, xử lí tín hiệu và
truyền tín hiệu đến cơ cấu thực hiện thay đổi thời điểm đóng mở của xupáp.
1.5.2. Đặc điểm cơ cấu phân phối VTEC của hãng Honda:
Cụm từ VTEC (Variable Valve Timing and lift Electronic Control System). Có
nghĩa là: Hệ thống điều chỉnh góc độ phối khí kết hợp với sự thay đổi qui luật nâng
của xupáp bằng điện tử.
Đây là hệ thống đầu tiên trên thế giới sử dụng kết hợp giữa việc điều chỉnh góc độ
phối khí với sự thay đổi qui luật nâng của xupáp phù hợp với chế độ, tốc độ của động
cơ. Nhờ đó nâng cao tính năng của động cơ.
Với cách sử dụng cơ cấu cam đặc biệt đó cho phép động cơ mở rộng vùng làm
việc ở tốc độ thấp và cũng nhờ vậy phát huy tối đa công suất của động cơ. Cơ cấu
phối khí VTEC có hai kiểu sau:
DOHC VTEC: Cơ cấu phối khí điều khiển thời điểm gốc độ nâng của xupáp nạp
và thải bằng điện tử có hai trục cam dẫn động phía trên.
SOHC VTEC: Cơ cấu phối khí điều khiển thời điểm gốc độ nâng của xupáp nạp
bằng điện tử có một trục cam dẫn động phía trên.
* Nguyên lý làm việc của cơ cấu phân phối DOHC VTEC:
Ở số vòng quay thấp: Khi hoạt động ở số vòng quay thấp các piston thủy lực A và

B chưa hoạt động và ở vị trí như hình 1 – 16. Các đòn bẩy thứ nhất và thứ hai hoạt
động riêng lẻ, lúc ấy vấu cam trung tâm ở giữa không tham gia vào hoạt động đóng
mở các xupáp ở chế độ này.
15
Nguyễn Thanh Nhàn
VÁÚU CAM DÁÙN ÂÄÜNG ÅÍ TÄÚC ÂÄÜ THÁÚP
1
2
3
4
5
6
7
Hình1-16 Hoạt động DOHC-VTEC ở số vòng quay thấp.
1 - Piston A; 2 - Piston B; 3 - Piston chặn; 4 - Đòn bẩy thứ nhất; 5 - Đòn bẩy trung
gian; 6 - Đòn bẩy thứ hai; 7 - Lò xo; 8 - Vấu cam dẫn động ở tốc độ thấp.
Ở số vòng quay cao: Khi hoạt động ở số vòng quay cao, dưới áp lực của dầu sẽ
đẩy piston A dịch chuyển về bên phải theo hướng mũi tên trên hình. Làm cho đòn bẩy
thứ nhất, thứ hai và đòn bẩy trung gian được nối với nhau thành một khối chuyển
động thống nhất. Tất cả các đòn bẩy di chuyển bởi cam ở tốc độ cao. Điều đó có nghĩa
là các xupáp được điều chỉnh thời điểm và qui luật nâng khi hoạt động ở tốc độ cao.
5
7
6
2
VÁÚU VAM HOAÛT ÂÄÜNG ÅÍ TÄÚC ÂÄÜ CAO
AÏP SUÁÚT DÁÖU
1
3
4

Hình 1-17 Hoạt động của DOHC-VTEC ở số vòng quay cao.
1 - Piston A; 2 - Piston B; 3 - Piston chặn; 4 - Đòn bẩy thứ nhất; 5 - Đòn bẩy trung
gian; 6 - Đòn bẩy thứ hai; 7 - Lò xo; 8 - Vấu cam dẫn động ở tốc độ cao.
16
Nguyễn Thanh Nhàn
Điều kiện thay đổi từ chế độ vận hành ở tốc độ thấp sang chế độ vận hành ở tốc độ
cao của DOHC là khi số vòng quay của động cơ đạt đến tốc độ lớn hơn 5300
(vòng/phút), và nhiệt độ nước làm mát phải lớn hơn 60
0
C.
* Nguyên lý làm việc cơ cấu phân phối SOHC VTEC:
Ở số vòng quay thấp: Khi động cơ hoạt động ở số vòng quay thấp đòn bẩy thứ
nhất và thứ hai hoạt động riêng lẻ, không được liên kết với nhau. Lúc này các piston
thủy lực A và B chưa hoạt động và vấu cam ở giữa không tham gia vào chuyển động
đóng mở các xupáp.
7
3
2
1
6
5
4
Hình 1-18 Hoạt động của SOHC-VTEC ở số vòng quay thấp.
1 - Piston thuỷ lực A; 2 - Piston thuỷ lực B; 3 - Piston chặn; 4 - Đòn
bẩy thứ nhất; 5 - Đòn bẩy trung gian; 6 - Đòn bẩy thứ hai; 7 - Lò xo;
Ở số vòng quay cao: Khi động cơ hoạt động ở số vòng quay cao, piston thuỷ lực di
chuyển theo hướng mũi tên như trên hình 1 – 19. Kết quả là đòn bẩy thứ nhất, thứ hai
và đòn bẩy trung gian được nối cứng với nhau bởi hai pis ton thủy lực A và B thành
một khối và chuyển động thống nhất. Tất cả các đòn bẩy di chuyển bởi vấu cam trung
tâm ở tốc độ cao, điều đó có nghĩa là tất cả các xupáp nạp được điều chỉnh thời điểm

đóng mở và qui luật nâng khi hoạt động ở tốc độ cao.
Điều kiện thay đổi từ chế độ vận hành ở tốc độ thấp sang chế độ vận hành ở tốc độ
cao của SOHC là khi số vòng quay của động cơ đạt đến tốc độ lớn hơn 4800
(vòng/phút), và nhiệt độ nước làm mát là 60
0
C.
17
Nguyễn Thanh Nhàn
5
4
6
7
3
2
1
Hình 1-19 Hoạt động của SOHC-VTEC ở số vòng quay cao.
1 - Piston thuỷ lực A; 2 - Piston thuỷ lực B; 3 - Piston chặn; 4 - Đòn
bẩy thứ nhất; 5 - Đòn bẩy trung gian; 6 - Đòn bẩy thứ hai; 7 - Lò xo;
Hệ thống điều khiển: Cơ cấu DOHC – VTEC và SOHC – VTEC được điều khiển
bởi các máy tính kiểm tra liên tục tình trạng và những thay đổi trạng thái làm việc của
động cơ như tải trọng, nhiệt độ nước làm mát, số vòng quay động cơ, tốc độ của xe.
Những tín hiệu này được truyền đến bộ vi xử lí để xử lí các tín hiệu rồi từ đó điều
khiển một cách chính xác hoạt động của cơ cấu phân phối khí của động cơ dưới mọi
điều kiện.
1.5.3. Cơ cấu phân phối khí dùng hệ thống điều khiển xoay cam:
Cùng với hãng Toyota, hãng Ford đã đi đầu trong lĩnh vực chú tâm cải tiến hệ
thông phân phối khí và đã cho ra đời nhiều thế hệ ôtô với tính năng hiện đại. Trong đó
có hệ thống điều khiển xoay trục cam nạp hay gọi là hệ thống điều khiển VVT – i (tên
gọi của hãng Toyota). Với hệ thống này nhằm thay đổi góc phân phối khí của các
xupáp phù hợp với từng dãi tốc độ làm việc của động cơ được ra đời trong nhưng năm

gần đây và sử dụng rộng rãi ở Việt Nam trên các loại xe như: Camry, Corolla Altis,
Vios, Escape, Transit…
VVT-i là hệ thống điều khiển thời điểm phối khí phù hợp với chế độ làm việc của
động cơ. VVT-i là cụm từ viết tắt từ tiếng anh: Varaible Valve Timing –intelligent
(Thay đổi thời điểm phối khí thông minh).
Đối với các động cơ thông thường thì có thời điểm phối khí là cố định và thường
đựơc tính theo điều kiện sử dụng của động cơ. Vì nó được dẫn động trực tiếp từ trục
khuỷu đến cam thông qua cặp bánh răng hoặc xích. Ngược lại, với các động cơ có hệ
18
Nguyễn Thanh Nhàn
thống VVT-i thì góc phân phối có thể thay đổi theo điều kiện làm việc của động cơ.
Hệ thống VVT-i sử dụng áp suất thuỷ lực điều khiển bằng van điện từ để xoay trục
cam nạp, thay đổi thời điểm phối khí để đạt được thời điểm phối khí tối ưu . Hệ thống
này có thể xoay trục cam một góc 40
0
tính theo góc quay trục khuỷu để đạt thời điểm
phối khí tối ưu cho các chế độ hoạt động của động cơ dựa vào các tín hiệu từ cảm biến
và điều khiển bằng ECU động cơ.
Do đó hệ thống này được đánh giá rất cao vì nó cải thiện quá trình nạp và thải,
tăng công suất động cơ, tăng tính kinh tế và giảm ô nhiễm môi trường. Đặc điểm kết
cấu và nguyên lý làm việc của hệ thống VVT – i sẽ được phân tích ở phần 2 (Phần
khảo sát cơ cấu phân phối khí của động cơ Duratec HE do hãng Ford sản xuất).
Việc sử dụng các bộ phận thay đổi thời điểm và qui luật nâng của xupáp, làm cho
cơ cấu phối khí hiện đại luôn hoạt động ở điều kiện tối ưu. Điều đó đã làm cho động
cơ sử dụng cơ cấu phối khí hiện đại có suất tiêu hao nhiên liệu thấp, việc gia tốc thay
đổi từ tốc độ thấp sang tốc độ cao xảy ra nhanh chóng, ít gây ô nhiễm và đạt công suất
cao. Xe có sử dụng cơ cấu phân phối khí hiện đại sẽ chạy êm dịu trong thành phố
cũng như trên quốc lộ, dễ dàng chuyển từ tốc độ thấp sang tốc độ cao. Tuy nhiên bên
cạnh những ưu điểm đó thì cơ cấu phối khí hiện đại có nhược điểm là: Có nhiều chi
tiết, cụm chi tiết, cần chế tạo với độ chính xác cao. Hệ thông điều khiển phức tạp.

Việc bảo quản, sữa chữa khó khăn, giá thành cao.
2. Khảo sát và tính toán hệ thống phân phối khí trong động cơ Duratec:
2.1. Giới thiệu động cơ Duratec:
Động cơ Duratec do hãng Ford sản xuất, được lắp trên xe Escape 2.3L. Escape
2.3L là xe du lịch một phiên bản hoàn toàn mới của làn xe Escape nói chung. Xe được
thiết kế 2 cầu chủ động (4 x 4). Cùng với các trang thiết bị tiêu chuẩn là những cải tiến
về các trang thiết bị nội, ngoại thất làm cho Escape 2.3L có những tính năng vượt trội
so với các dòng xe đương thời. Về ngoại thất, cụm đèn pha theo dạng chóa đèn màu
đen mới mang lại tầm nhìn tốt hơn cho người điều khiển. Bên trong cabin, bảng điều
khiển trung tâm với vòng tròn bạc viền quanh cụm đồng hồ cùng với ánh sáng xanh
của các nút điều khiển giúp người lái dễ dàng quan sát đảm bảo tính an toàn khi điều
khiển xe. Hệ thống phanh đĩa bốn bánh kết hợp với hệ thống chống bó cứng ABS
cùng với hệ thống phân phối lực phanh điện tử EBD. Hai túi khí cùng dây đai an toàn
đảm bảo an toàn tối đa cho người lái và hành khách khi xảy ra va chạm…
Hơn hết xe được trang bị động cơ Duratec, một trong những động cơ có tính năng
vượt trội so với những động cơ đương thời. Duratec là động cơ xăng với 4 xilanh
được đặt thẳng hàng, 16 xupáp. Các xupáp đựợc dẫn động trực tiếp từ cam. Cam được
19
Nguyễn Thanh Nhàn
đặt trên nắp máy, gồm 2 trục cam dẫn động xupáp (DOHC). Duratec 2.3L tích hợp hệ
thống điều khiển van biến thiên VCT (Variable Cam Timing) cho phép tối ưu hóa thời
gian, thời điểm, góc đóng mở của xupáp làm tăng công suất động cơ, tiết kiệm được
nhiên liệu.
Bên cạnh đó động cơ còn tích hợp hệ thống xúc tác lọc khí thải, hệ thống đóng mở
cửa gió thứ cấp VICS (Variable Inertia Charging System) và hệ thống van điều khiển
tạo xoáy dòng khí nạp TSCV (Tumble Swirl Control Valve). Dùng hệ thống phun
xăng điện tử theo chu kỳ. Với những cải tiến này mang lại cho động cơ hoạt động tốt
nhất ở mọi chế độ làm việc.
Bảng 2 - Thông số động cơ:
20

STT Hạng mục Thông số Đơn vị
1 Đường kính xilanh 87,5 mm
2 Hành trình pittông 94 mm
3 Dung tích xilanh 2261 cc
4 Đường kính cổ trục khuỷu 52 mm
5 Đường kính chốt khuỷu 50 mm
6 Đường kính chốt piston 21 mm
7 Chiều dài chốt piston 60 mm
8 Số vòng quay không tải tối thiểu 650 v/phút
9 Công suất cực đại 106 KW
10 Mômen xoắn cực đại 197 N.m
11 Số xi lanh 4
12 Thứ tự nổ 1 - 3- 4 - 2
13 Cam đóng mở xupáp DOHC
14 Đường kính cổ trục cam 25 mm
15 Đường kính nấm xupáp nạp 35 mm
16 Đường kính nấm xupáp xả 30 mm
17 Dung tích thùng nhiên liệu 61 Lit
18 Phun xăng điện tử có
Nguyễn Thanh Nhàn
1
2
11
12 13
14
15
16
17
28
27

26
10
9
25
23
24
19
20
21
22
18
8
6
7
4
5
3
Hình 2-1 Mặt cắt động cơ Duratec.
1 – Các te; 2 – Lọc dầu bôi trơn; 3 - Ống dẫn dầu bôi trơn; 4 – Trục khuỷu; 5 – Bánh
xích đầu trục khuỷu; 6 – Buly trục khuỷu; 7 – Xích dẫn động; 8 – Bánh xích dẫn động
trục cam; 9 – Trục cam; 10 – Đường dẫn dầu bôi trơn; 11 – Xupáp; 12 – Con đội; 13 –
Đĩa chặn lò xo; 14 – Lò xo xupáp; 15 - Ống dẫn hướng; 16 – Xi lanh; 17 – Đế xupáp;
18 – Xéc măng; 19 – Chốt piston; 20 – Thanh truyền; 21 – Phớt chắn dầu; 22 – Đuôi
trục khuỷu; 23 – Đai ốc; 24 – Bạc lót; 25 – Chốt khuỷu; 26 – Cổ trục khuỷu.
2.2. Hệ thống nạp, thải trong động cơ Duratec:
Công nhận rằng công suất của động cơ phụ thuộc rất lớn vào khối lượng và thành
phần khí nạp. Rõ ràng rằng lượng không khí đi vào xilanh trong quá trình nạp sẽ phụ
thuộc vào việc xilanh của động cơ được thải sạch ở mức độ nào đó trong chu trình
trước. Trong chu trình làm việc của động cơ đốt trong cần thải sạch sản vật cháy của
chu trình trước ra khoải xi lanh để nạp đầy môi chất mới vào xilanh động cơ. Hai quá

21
Nguyễn Thanh Nhàn
trình nạp và thải liên quan mật thiết với nhau. Vì vậy kết cấu của hệ thống nạp thải
phải thiết kế sao cho động cơ làm việc với hiệu quả cao nhất.
Các quá trình trao đổi khí không chỉ có quan hệ với nhau mà việc tạo hướng
chuyển động của mồi mới khí nạp trong thời gian nạp ở xilanh động cơ phụ thuộc vào
việc phân bố các xupáp trên nắp xilanh. Đây là một trong những yếu tố cơ bản có khả
năng cải thiện việc tạo thành hỗn hợp và đôt cháy.
Các thí nghiệm chỉ ra rằng, để trao đổi khí tốt hơn xupáp nạp cần được mở sớm
khi píttông đến điểm chết trên còn xupáp xả cần đóng muộn sau ĐCT.
Như vậy theo những nhận định trên, các hệ thống nạp và thải của động cơ ảnh
hưởng trực tiếp đến hệ thống phân phối khí của động cơ như: Thời gian đóng mở các
xupáp, kết cấu các chi tiết trong cơ cấu phân phối khí cũng như việc bố trí các
xupáp…Vì vậy khi phân tích đặc điểm các chi tiết trong cơ cấu phân phối khí chúng
ta cần phân tích đặc điểm kết cấu của hệ thống và nạp thải trong động cơ.
2.2.1. Đặc điểm hệ thống nạp trong động cơ Duratec:
Theo nguyên lý động cơ đốt trong, lượng môi chất nạp vào xi lanh trong mỗi chu
trình động cơ bốn kỳ phụ thuộc nhiều nhất vào độ chênh áp suất của môi chất trước
xupáp nạp (p
k
) và áp suất môi chất trong xilanh (p
a
) . Suốt kỳ nạp áp suất trong xi lanh
đều thấp hơn p
k
. Sự chênh áp ấy tạo nên dòng chảy của môi chất mới đi vào xilanh
qua xupáp nạp, nó ảnh hưởng đến trợ lực của xupáp nạp đối với dòng chảy.
Hệ số nạp
v
η

là một trong những thông số đặc trưng cơ bản của động cơ trong
quá trình trao đổi môi chất. Đó là tỷ số giữa lượng môi chất mới thực tế nạp vào
xilanh ở đầu quá trình nén khi đã đóng các cửa nạp và cửa thải so với lượng môi chất
mới theo lý thuyết có thể nạp đầy vào thể tích công tác của xilanh ở điều kiện nhiệt độ
và áp suất của môi chất trước xupáp nạp. Ảnh hưởng đến hệ số nạp có rất nhiều yếu tố
như: Tỷ số nén, áp suất cuối quá trình nạp, kết cấu đường ống nạp…
Sức cản của đường nạp: Tổn thất áp suất khi nạp là
aa
ppp −=∆
0
. Tổn thất
a
p∆
càng lớn thì áp suất p
a
càng nhỏ và do đó mật độ mồi mới khí nạp trong xilanh và hệ
số khí nạp càng nhỏ. Tổn thất của đường nạp có thể tính theo công thức:
2
.).1(
2
k
p
kBna
ω
ρξ
+=∆
Với
Bn
ξ
là hệ số cản của hệ thống nạp, đặc trưng cho tính chất đường nạp ví dụ

như tiết diện lưu thông qua xupáp nạp.
k
ω
là tốc độ trung bình của mồi mới khí nạp ở tiết diện đặc trưng của xupáp nạp.
Như vậy tốc độ dòng khí nạp ảnh hưởng rất lớn đến tổn thất áp suất
a
p∆
.
22
Nguyễn Thanh Nhàn
Một trong những biện pháp làm tăng hệ số nạp là bố trí bốn xupáp cho mỗi xilanh
động cơ. Sức cản của hệ thống nạp phụ thuộc đáng kể vào chỗ ngặt, co thắt và độ
nhám bề mặt của xupáp.
Trong hệ thống nạp của động cơ, xupáp nạp là nơi có tiết diện lưu thông nhỏ nhất
nên trở thành bộ phận quan trọng nhất của lực cản đường nạp. Tăng đường kính xupáp
sẽ mở rộng tiết diện lưu thông qua xupáp, nhưng lại bị hạn chế bởi vị trí và cấu tạo
của xupáp. Việc tăng hành trình cực đại, tăng tốc độ đóng mở các xupáp, tăng thời
gian giữ xupáp ở vị trí mở lớn nhất, đều làm tăng khả năng lưu thông qua xupáp. Thế
nhưng những vấn đề trên đều bị giới hạn bởi phụ tải động do lực quán tính của cơ cấu
phân phối khí tạo ra. Mặt khác khi xupáp đã mở hết hành trình khoảng cách từ mép
nấm đến thành cũng gây ảnh hưởng đến lực cản của dòng chảy. Khoảng cách trên nếu
nhỏ sẽ làm giảm hiệu suất lưu thông của tiết diện sát thành xilanh và làm tăng lực cản.
Ngoài ra trong quá trình nạp của động cơ, sóng áp suất trong đường nạp cũng ảnh
hưởng rất nhiều đến việc nạp đầy môi chất mới vào xilanh. Các sóng này được truyền
qua lại trong đường ống nạp tạo nên hiệu ứng động của dao động áp suất. Nếu sóng
nén được truyền đến khu xupáp mà xupáp chưa đóng sẽ làm tăng áp suất ở khu vực
trước xupáp và làm tăng số nạp. Khi tốc độ động cơ tăng thì vận tốc dòng khí lưu
thông qua xupáp nạp cũng tăng theo. Sự dao động của dòng khí nạp phụ thuộc vào sự
đóng mở xupáp nạp.
Từ những đặc điểm phân tích như trên trong hệ thống nạp và với mục đích cải

thiện hệ thống nạp để hiệu suất của động cơ là cao nhất ở mọi dãi tốc độ. Hệ thống
nạp trong động cơ Duratec được thiết kế với hình dạng đường nạp là tốt nhất. Đường
nạp được làm bằng nhựa cứng làm giảm trọng lượng cho động cơ. Cùng với những cơ
cấu điều khiển dòng khí nạp sao cho phù hợp như: Cơ cấu biến thiên đường nạp, có
thể làm cho đường nạp dài thêm hoặc ngắn lại làm tăng mômen xoắn của động cơ từ
dãi tốc độ thấp lên tốc độ cao. Cơ cấu đóng mở van xoáy lốc khí nạp khi đi vào trong
xilanh động cơ điều này cải thiện được sự phát xạ ô nhiễm của nhiên liệu cháy. Bộ
phận cộng hưởng làm giảm tiếng ồn trong quá trình nạp. Những tính năng này làm
cho động cơ Duratec luôn tạo ra được hiệu suất làm việc cao ở mọi chế độ làm việc.
23
Nguyễn Thanh Nhàn

6
7
8
9
10
11
5
4
3
2
1
Hình 2-2 Sơ đồ hệ thống nạp không khí động cơ Duratec.
1- Buồng cộng hưởng; 2 - Ống lấy gió ngoài; 3 – Lọc gió; 4 – Buồng cộng hưởng; 5 –
Cổ nạp; 6 – Cơ cấu đóng mở van xoáy lốc khí nạp; 7 – Cơ cấu đóng mở van biến thiên
đường nạp; 8 – Van điện từ biến thiên đường nạp; 9 – Van điện từ xoáy lốc khí nạp;
10 – Buồng chân không; 11 – Cụm bướm ga.
* Chức năng của hệ thống biến thiên đường nạp:
Hệ thống biến thiên đường nạp làm tăng mô-men cho động cơ từ dãi tốc độ thấp

đến cao. Làm thay đổi chiều dài đường ống nạp khi tốc độ của động cơ vượt quá
4.600 (vòng/ phút) để làm tăng hiệu suất trong quá trình nạp. Điều này làm cho động
cơ đạt được mômen cao hơn ở mọi dãi tốc độ.
+ Tác dụng của quá trình nạp môi chất theo quán tính:
Sự dao động của dòng khí trong cổ nạp phụ thuộc vào sự đóng mở của xupáp nạp.
Khi xupáp nạp đóng, không khí bị nén lại gần phía xupáp nạp do lực quán tính. Điều
này làm tạo ra một sóng áp suất của khí nạp dội ngựợc về bề mặt cánh bướm ga và
đồng thời sau đó ngược lại sóng áp suất này cũng dội ngược lại về phía xupáp nạp đến
khi nó điền đầy vào buồng tích áp. Việc thay đổi chiều dài đường ống nạp là để làm
cho áp suất của dòng khí nạp quay về phía xupáp nạp đúng vào kỳ nạp của động cơ.
Từ đó cải thiện được lượng khí nạp mới vào trong xilanh và làm tăng mômen xoắn
của động cơ.
+ Khoảng tác động của đường nạp (cổ nạp):
Khoảng tác động cổ nạp là từ xupáp nạp đến buồng tích áp.Với sự đóng mở của
van biến thiên đường nạp để thay đổi khoảng tác động chiều dài đường nạp làm cho
dòng sóng áp suất khí nạp luôn ở trạng thái sẵn sàng nạp.
24
Nguyễn Thanh Nhàn
* Cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống biến thiên đường nạp:
- Cấu tạo gồm: Van điện từ, van biến thiên đường nạp, cơ cấu điều khiển và buồng
chân không.
- Nguyên lý làm việc của hệ thống:
Khi tốc độ động cơ nhỏ hơn 4.600 (vòng/phút) - Van biến thiên đường nạp đóng.
Áp suất chân không trong cổ nạp được dùng để điều khiển thông qua hoạt động của
van điện từ để đóng van biến thiên đường nạp. Ở điều kiện này, khoảng tác động của
đường nạp là từ xupáp hút đến buồng tích áp (A―C). Lúc này đường ống nạp dài ra,
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.
1
2

Hình 2-3 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống khi tốc độ động cơ nhỏ.
1 – Buồng tích áp; 2 – Van biến thiên đường nạp đóng.
Khi tốc độ động cơ ở 4.600 (vòng/phút) hoặc cao hơn - 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 (B―C). 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.
25