Nghiên cứu khả năng dẫn động xupap bằng thủy lực trong cơ cấu phân phối khí động cơ đốt trong

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ
*****************

ĐỖ THỊ THÚY

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG DẪN ĐỘNG XUPAP BẰNG
THỦY LỰC TRONG CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ
ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Hà Nội, 2015


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ

ĐỖ THỊ THÚY

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG DẪN ĐỘNG XUPAP BẰNG
THỦY LỰC TRONG CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ
ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Chuyên ngành: Vật lí kĩ thuật

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Người hướng dẫn khoa học:
ThS Nguyễn ngọc Tuấn

Hà Nội, 2015


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn trân trọng và sâu sắc tới:
Thầy hướng dẫn khoa học: ThS Nguyễn Ngọc Tuấn - người trực tiếp
hướng dẫn, tận tình chỉ bảo và tạo mọi điều kiện giúp tôi hoàn thành khóa
luận này.
Ban Giám hiệu, Ban Chủ nhiệm, Tổ Vật lí kỹ thuật khoa Vật Lý trường
Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học
tập và nghiên cứu đề tài.
Gia đình, bạn bè đã quan tâm, chia sẻ, giúp đỡ, động viên, khích lệ tôi
trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành khóa luận.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 5 năm 2015
Sinh viên

ĐỖ THỊ THÚY


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình của riêng tôi.Các số liệu, kết quả
trong khóa luận là trung thực và không trùng lặp với các đề tài khóa luận
khác.
Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Hà Nội, tháng 5 năm 2015
Sinh viên

ĐỖ THỊ THÚY

MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU…………………………………………………..................1
1.

Lí do chọn đề tài......................................................................................1

2.

Mục đích nghiên cứu...............................................................................1

3.

Nhiệm vụ nghiên cứu..............................................................................2

4.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu...........................................................2

PHẦN NỘI DUNG
Chương 1 - Tổng quan tình hình nghiên cứu dẫn động xupap trong cơ
cấu phân phối khí động cơ đốt trong…………………………....................3
1.1.

Tình hình nghiên cứu dẫn động xupap trên thế giới……….…………..3

1.2.

Tình hình nghiên cứu dẫn động xupap tại Việt Nam……....…………..8

1.3.

Kết luận chương 1………………….…………………………………..9

Chương 2 - Các phương án dẫn động bằng cơ khí……………...………..11
2.1.

Phương án gián tiếp……….…………………………………………..12

2.2.

Phương án trực tiếp……...……………………………………………15

2.3.

Các giải pháp hoàn thiện cơ cấu dẫn động xupap bằng cơ khí……….18

2.4.

Kết luận chương 2……….……………………………………………23

Chương 3 – Phương án dẫn động bằng thủy lực trong cơ cấu phân phối
khí động cơ đốt trong....................................................................................24
3.1.

Sơ đồ nguyên lý chung của hệ thống dẫn động xupap bằng thủy

lực……………………………………………………………………………24
3.2.

Kết cấu của hệ thống dẫn động xupap bằng thủy lực có sử dụng van

phân phối…………………………….............................................................26
3.3.

Kích thước hình học của rãnh cấp và vị trí bố trí chúng trên ống lót của

van phân phối…………………………………………………......................29
3.4.

Quy luật cấp chất lỏng cho xi lanh thủy lực…………………………..31


3.5.

Phương trình toán học mô tả chuyển động của xupap dẫn động bằng

thủy lực…...……………………………………………………………….…33
3.5.1. Phương trình mô tả chuyển động của con trượt………………………33
3.5.2. Phương trình mô tả chuyển động của xupap dẫn động bằng thủy
lực……………………………………………………………………………35
3.6.

Kết quả khảo sát mô hình toán học dẫn động xupap bằng thủy

lực……………………………………………………………………………38
3.6.1. Áp suất nguồn nuôi không đổi, tốc độ trục phân phối thay đổi………38
3.6.2. Tốc độ trục phân phối không đổi, áp suất nguồn nuôi thay đổi………40
3.6.3. Ảnh hưởng của độ cứng lò xo xupap đến quy luật động học của xupap
dẫn động bằng thủy lực………………………………………………...……42

3.7.

Kết luận chương 3. ……………………………………………………44

PHẦN KẾT LUẬN…………………………………………………...…….46
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………….……………...47


DANH MỤC CÁC HÌNH, BẢNG, BIỂU VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1.

Van điện từ dẫn động xupap.........................................................3

Hình 1.2.

Sơ đồ nguyên lý của hệ thống dẫn động xupap bằng khí nén.......5

Hình 1.3.

Sơ đồ nguyên lý dẫn động xupap bằng thủy lực...........................6

Hình 1.4.

Hệ thống nạp thông minh..............................................................8

Hình 2.1.

Dẫn động xupap..........................................................................11

Hình 2.2.

Cơ cấu phân phối khí dùng xupap đặt........................................12

Hình 2.3.

Phương án dẫn động gián tiếp xupap với trục cam bố trí trong

hộp trục khuỷu.................................................................................................13
Hình 2.4.

Phương án dẫn động gián tiếp xupap với trục cam trên nắp

máy..................................................................................................................14
Hình 2.5.

Cơ cấu phân phối khí trục cam đặt trên nắp tác động trực tiếp lên

xupap trường hợp có sử dụng cốc mỏng dẫn hướng.......................................15
Hình 2.6.

Cơ cấu dẫn động bằng xích.........................................................16

Hình 2.7.

Dẫn động bằng đai......................................................................17

Hình 2.8.

Các phương án dẫn động trục cam..............................................17

Hình 2.9.

Con đội thủy lực..........................................................................21

Hình 2.10. Đầu tỳ thủy lực............................................................................20
Hình 2.11. Phương án sử dụng trục cam có nhiều tiết diện..........................21
Hình 2.12. Điều khiển phân phối khí có dạng cam thay đổi.........................22
Hình 3.1.

Sơ đồ nguyên lý hệ thống dẫn động xupap bằng thủy lực..........25

Hình 3.2.

Sơ đồ nguyên lý của hệ thống dẫn động xupap bằng thủy lực có

sử dụng van phân phối kiểu khóa....................................................................26
Hình 3.3.

Sơ đồ kết cấu của van phân phối và sơ đồ kết nối......................27

Hình 3.4.

Sơ đồ nguyên lý van phân phối kiểu con trượt...........................28

Hình 3.5.

Sơ đồ tính toán góc quay của cửa cấp trên trục phân phối.........29

Hình 3.6.

Hình dáng của rãnh cấp trên van phân phối................................30


Hình 3.7.

Sơ đồ bố trí của cửa cấp, cửa xả trên ống lót..............................31

Hình 3.8.

Sơ đồ tính toán sự biến thiên diện tích cửa cấp chất lỏng công

tác....................................................................................................................32
Hình 3.9.

Mô hình tính toán quy luật chuyển động của con trượt..............33

Hình 3.10. Mô hình tính toán quy luật chuyển động của xupap dẫn động
bằng thủy lực...................................................................................................36
Bảng 3.1.

Ảnh hưởng của tốc độ trục phân phối đến các giá trị cực đại của

chuyển dịch, vận tốc, áp suất trong xi lanh thủy lực.......................................39
Bảng 3.2.

Ảnh hưởng của áp suất nguồn nuôi đến các giá trị cực đại của

chuyển vị, vận tốc, áp suất trong xi lanh thủy lực...........................................41
Bảng 3.3.

Ảnh hưởng của độ cứng lò xo đến chuyển vị của xupap............42

Bảng 3.4.

Hành trình của xupap dẫn động bằng thủy lực...........................43

Bảng 3.5.

Trị số ‘thời gian – tiết diện’ lý thuyết của xupap dẫn động bằng

thủy lực............................................................................................................43
Bảng 3.6.

Pha lý thuyết của xupap dẫn.......................................................44


PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Trong động cơ đốt trong, cơ cấu phối khí có nhiệm vụ đặc biệt quan
trọng trong việc thực hiện quá trình thay đổi khí trong xi lanh động cơ: thải
sạch khí cháy và nạp đầy hỗn hợp nhiên liệu hoặc không khí vào xi lanh. Và
chính cơ cấu này ảnh hưởng rất nhiều đến các đặc tính kĩ thuật của động cơ.
Cơ cấu phối khí được sử dụng nhiều nhất trên động cơ thường có 3 loại chính
là: cơ cấu phối khí dùng xupap, cơ cấu phối khí dùng van trượt, cơ cấu phối
khí hỗn hợp hay cơ cấu phối khí sử dụng kết hợp cả xupap và van trượt.
Trong đó cơ cấu phối khí dùng xupap được sử dụng rộng rãi hơn cả vì chúng
có kết cấu đơn giản, làm việc với độ tin cậy cao, giá thành chế tạo, sửa chữa
tương đối thấp.
Trong cơ cấu phối khí thì việc dẫn động xupap luôn hướng tới mục
đích la trị số "thời gian – tiết diện" là lớn nhất. Và dẫn động xupap được tiến

hành với nhiều phương án khác nhau và mỗi phương án thì có ưu, nhược
điểm riêng, phương án dẫn động xupap bằng thủy lực có những ưu điểm hơn
cả khắc phục những hạn chế của các phương án khác. Với lý do nêu trên nên
tôi chọn đề tài khóa luận là: “Nghiên cứu khả năng dẫn động xupap bằng
thủy lực trong cơ cấu phân phối khí động cơ động cơ đốt trong”.
2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu dẫn động bằng thủy lực trong cơ cấu phân phối khí động cơ
đốt trong nhằm khắc phục những hạn chế khi dẫn động xupap bằng các
phương án khác.

1


3. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Các phương án dẫn động xupap bằng cơ khí trong cơ cấu phân phối
khí động cơ đốt trong và đánh giá ưu, nhược điểm, biện pháp khắc phục hạn
chế.
- Tổng quan về tình hình nghiên cứu dẫn động xupap trong cơ cấu phân
phối khí.
- Phương án dẫn động xupap bằng thủy lực trong cơ cấu phân phối khí
động cơ đốt trong: sơ đồ nguyên lý chung, sơ đồ nguyên lý sử dụng van phân
phối, quy luật cấp chất lỏng công tác cho xyalnh thủy lực, phương trình toán
học mô tả chuyển động của xupap trong hệ thống dẫn động bằng thủy lực,
đánh giá kết quả khảo sát mô hình toán học dẫn động xupap bằng thủy lực
trong cơ cấu phân phối khí động cơ đốt trong.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
4.1. Đối tượng nghiên cứu
Dẫn động xupap bằng thủy lực trong cơ cấu phối khí động cơ đốt trong.
4.2. Phạm vi nghiên cứu
Dẫn động xupap trong động cơ đốt trong.

5. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lí luận: Sách. Báo, tạp chí, công trình liên
quan đến đề tài.

2


PHẦN NỘI DUNG
Chương 1 - TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU DẪN ĐỘNG
XUPAP TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC
1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Có nhiều hãng đi tiên phong trong lĩnh vực hoàn thiện quá trình làm
việc của động cơ bằng cách tối ưu các hệ thống. Tuy nhiên cơ cấu phối khí sử
dụng trên các động cơ hầu như vẫn giữ nguyên kiểu dẫn động cơ khí truyền
thống. Việc nghiên cứu thay đổi hệ thống dẫn động xupap được tác giả
Andrew Stubbs (đại học Boston) và hãng FEV của Cộng hòa liên bang Đức
nghiên cứu và thí nghiệm theo hướng dẫn động bằng cơ điện từ.
Một van điện từ đảm nhiệm chức năng đống mở xupap. Van điện từ
gồm: vỏ ngoài, lò xo, hai cuộn dây điện từ, lõi sắt từ (phần cứng) như trên
hình 1.1, phần cứng có thẻ dịch chuyển trong khe của hai cuộn dây điện từ.

Hình 1.1. Van điện từ dẫn động xupap
1 – xupap; 2 – lò xo dưới; 3 - cuộn mở; 4 – lõi thép từ;
5 - cuộn đóng; 6 – lò xo đẩy

3


Van điện từ hoạt động theo nguyên lý: khi không có dòng điện cấp cho
các cuộn dây điện từ, dưới tác dụng của lò xo xupap và lò xo của lõi sắt, lõi

sắt nằm ở vị trí giữa khe hở của hai cuộn dây; lúc này động cơ không làm
việc. Trong quá trình động cơ làm việc, cuộn đóng dùng để giữ lõi sắt khiến
cho xupap ở trạng thái đóng. Để mở xupap, cần ngắt điện cuộn đóng và dưới
tác dụng của lò xo lõi sắt, lõi sắt bị đẩy dịch về phía gần với cuộn mở, đồng
thời cuộn mở được cấp điện làm cho lõi sắt tiếp tục dịch chuyển, mở xupap và
lò xo xupap bị nén lại. Để đóng xupap, lại ngắt điện cuộn mở và cấp điện cho
cuộn đóng. Thời điểm đóng, mở xupap được hệ thống điện tử điều khiển phù
hợp với các chế độ làm việc của động cơ.
Phương pháp dẫn động xupap kiểu cơ điện từ có thể kiểm soát được
quá trình làm việc của động cơ như thay đổi pha phối khí phù hợp với các chế
độ làm việc, như vậy có thể giảm được mức độ độc hại trong khí xả. Tiết
kiệm tới 15 % nhiên liệu. Hệ thống làm việc êm dịu do giảm được số lượng
các chi tiết chuyển động. Tuy hệ thống dẫn động kiểu này đơn giản về mặt kết
cấu, song lại rất nhiều phức tạp về mặt điều khiển, đòi hỏi công nghệ chế tạo
tiên tiến, do đó làm tăng giá thành động cơ. Quá trình bảo dưỡng hệ thống
đơn giản, nhưng quá trình sửa chữa lại phức tạp.
Các công trình nghiên cứu dẫn động xupap bằng khí nén ít được công
bố, tuy nhiên nếu sử dụng khí nén trong việc dẫn động xupap thì có thể theo
một sơ đồ nguyên lý chung như trên hình 1.2.
Tín hiệu điều khiển có thể lấy từ trục cam hoặc bộ cảm biến vị trí, cũng
có thể lấy trực tiếp từ trục khuỷu của động cơ.
Van phân phối 3 cấp khí đến các xi lanh chấp hành 6 để mở hoặc đóng
các xupap 7. Van phân phối có thể dược điều khiển bằng cơ khí hoặc điện.

4


3

2

1

4

5

8

6

7

Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống dẫn động xupap bằng khí nén.
1 - nguồn áp suất; 2, 5 - đường ống; 3 – van phân phối;
4 - tiết lưu; 6 – xi lanh chấp hành; 7 – xupap
Các xi lanh chấp hành có thể là loại tác động hai chiều hoặc một chiều.
Trong trường hợp tác động một chiều thì lò xo xupap được giữ nguyên, còn
khi sử dụng xi lanh tác động hai chiều thì xupap được đóng bằng khí nén.
Có thể khái quát nguyên lý làm việc của hệ thống này như sau: khi có
tín hiệu mở xupap đưa tới điều khiển van phân phối, thì van sẽ cấp khí nén để
mở hoặc đóng xupap theo chu trình làm việc của động cơ.
Phương án sử dụng khí nén dẫn động cho xupap có những ưu, nhược
điểm sau:
Ưu điểm: để tạo nguồn khí nén, có thể điều chỉnh được áp suất làm việc
của hệ thống dễ dàng; thời gian tác động nhanh, có thể tận dụng luôn nguồn
khí nén trên xe máy.

5

Nhược điểm: do có sự tác động tức thời của hệ thống nên khó điều
khiển, khó khăn trong quá trình bôi trơn cho các chi tiết chuyển động, do khí
nén chưa được tách hoàn toàn hơi nước nên gây ra han gỉ các chi tiết dẫn đến
tình trạng kẹt, đặc biệt là khi hệ thống ngừng làm việc trong thời gian dài ở
điều kiện khí hậu Việt Nam, khó khăn trong vấn đề làm kín; khi tốc độ lớn,
van khí nén khó đáp ứng được yêu cầu đóng mở xupap.

Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý dẫn động xupap bằng thủy lực
có sử dụng gốm áp điện điều khiển van phân phối
1 – con trượt; 2 - bản lề; 3 - cụm gốm áp điện;
4 – pittong dẫn động xupap; 5 – xu pap
Dòng chất lỏng công tác được được điều khiển bằng các van điện từ. Ví
dụ khoa chế tạo máy của trường Đại học Nam Ca – ro – lina đã sử dụng cụm
gốm áp điện để điều khiển van phân phối thay thế hoàn toàn trục cam. (hình
1.3).

6


Nguyên lý hoạt động: Khi có một xung điện áp điều khiển từ bộ điều
khiển thì cụm gốm áp điện 3 sẽ giãn nở. Sự giãn nở tuyến tính này tác động
đến con trượt 1 thông qua bản lề 2 và khi đó dòng chất lỏng bị thay đổi hoặc
dược dẫn vào khoang trên hoặc được dẫn vào khoang dưới pittong dẫn động
xupap 4 để đóng hoặc mở xupap 5. Khi điện áp giảm dần thì cụm gốm áp điện
co lại và van phân phối làm việc hoàn toàn ngược lại so với cụm gốm áp điện
được cấp điện hệ thống làm việc với tần số 50Hz tương đương 600 v/phút, tốc
độ trục khuỷu thay đổi thời gian đóng mở xupap được thực hiện bằng cách
thay đổi điện áp cấp cho cụm gốm áp điện.
Hãng Ford đã thử chế tạo một vài sản phẩm dẫn động xupap bằng thủy

lực điều khiển bằng van điện từ song nó bộc lộ một số hạn chế đó là các cuộn
van điện từ tiêu tốn khá nhiều năng liệu và có những hạn chế của chính bản
thân các van điện từ. Tuy nhiên, thiết kế này ít nhiều cho phép thay đổi được
pha phối khí.
Ngoài hướng sử dụng các tín hiệu điện để điều khiển xupap như trên
với các động cơ mà trên đó hệ thống cung cấp điện không có sẵn thì việc sử
dụng hệ thống dẫn động xupap kiểu cơ - thủy lực tỏ ra khả thi. Trong hệ
thống này không sử dụng các cuộn dây điện từ hay cụm gốm áp điện nhưng
vẫn giữ nguyên phần chấp hành bằng thủy lực. Một trong những kết cấu kiểu
này được Vianney Rabhi đề xuất, theo tác giả thì khi sử dụng cơ cấu điều
khiển này hoàn toàn có thể thay đổi được thời điểm đóng, mở và cả hành trình
xupap. Đây là phương án điều khiển phù hợp cho bất kì động cơ nào mà
không đòi hỏi trên động cơ đó phải có một nguồn điện như các phương pháp
điều khiển bằng điện. Tuy nhiên việc chế tạo các xơ cấu này đòi hỏi một công
nghệ tiên tiến.

7


1.2. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam
Ở Việt Nam hiện nay trên các động cơ vẫn sử dụng phương án dẫn
động xupap bằng cơ khí là chủ yếu. hãng như HonDa có sử dụng hệ thống
dẫn động xupap mới gọi là “hệ thống nạp thông minh” có khả năng thay đổi
hành trình hoặc thời gian đóng mở các xupap bằng cách sử dụng hai loại vấu
cam khác nhau. Ở dải tốc độ thấp, vấu cam nhỏ dẫn động các xupáp, động cơ
hoạt động ở trạng thái không tải ổn định, lượng khí thải giảm và mômen xoắn
tăng lên ở tốc độ thấp. Khi vấu cam lớn được kích hoạt, tốc độ tăng lên, các
xupáp được mở rộng hơn và thời gian mở xupáp tăng lên. Bởi vậy làm tăng
lượng khí nạp trong buồng cháy, công suất và mômen xoắn tăng, dải tốc độ
động cơ được mở rộng.

Hình 1.4: Hệ thống nạp thông minh
Hai cam có hai biên dạng khác nhau được sử dụng ở hai chế độ khác
nhau của động cơ: một cam có biên dạng nhỏ, dùng ở dải tốc độ thấp mà ta
gọi tắt là cam tốc độ thấp và vấu cam còn lại có biên dạng lớn hơn, dùng ở dải
tốc độ cao gọi tắt là cam tốc độ cao. Các vấu cam tốc độ thấp và các trục cò

8


mổ, dẫn động các xupap nạp, đặt đối xứng nhau qua cam tốc độ cao ở giữa.
Mỗi xupap nạp được dẫn động bởi một cam tốc độ thấp và trục cò mổ. Để
chuyển sang cam tốc độ cao, một tay đòn chữ T được ép vào các khe ở đỉnh
trục cò mổ của cam tốc độ thấp. Điều này cho phép các cam tốc độ cao dịch
chuyển cùng với cam tốc độ thấp. Lúc này các xupap thay đổi hành trình khi
được dẫn động bởi cam tốc độ cao. Ở dải tốc độ thấp, tay đòn chữ T trượt ra
khỏi khe một cách tự do, cho phép các cam tốc độ thấp dẫn động các xupáp.
Ở dải tốc độ cao, áp suất thủy lực đẩy piston thủy lực lên, bởi vậy tay đòn chữ
T lại trượt vào các khe cò mổ để chuyển sang vận hành với các cam tốc độ
cao.
Ở Việt Nam cũng đã có một số công trình nghiên cứu về khả năng dẫn
động của xupap trong cơ cấu phân phối khí của động cơ đốt trong. Tuy nhiên
trong thực tế thì chưa có động cơ có tốc độ nào sử dụng thủy lực để dẫn động
xupap.
1.3. Kết luận chương 1
Qua việc tìm hiểu tình hình nghiên cứu phát triển các phương án dẫn
động mới (khí nén, điện tử, thủy lực) cho xupap trên thế giới ta thấy rằng
phương án này đang được các nhà chế tạo động cơ nghiên cứu và bước đầu
được áp dụng do chúng có những ưu điểm nổi bật như: kiểm soát được quá
trình làm việc của động cơ bằng cách thay đổi pha phối khí phù hợp với các

chế độ làm việc của động cơ, hệ thống làm việc êm dịu do giảm được các chi
tiết chuyển động đơn giản về mặt kết cấu và đơn giản trong việc chăm sóc,
bảo dưỡng, nhưng dòi hỏi công nghệ chế tạo cơ khí và điện tử rất hiện đại.
Trong số các phương án mới, phương án dẫn động bằng thủy lực điều
khiển bằng cơ khí có nhiều triển vọng hơn đối với điều kiện và khả năng công

9


nghệ ở Việt Nam bởi khi xupap dẫn động bằng thủy lực có thể loại bỏ hoàn
toàn các chi tiết trung gian như con đội, đĩa đẩy, cò mỏ thậm chí cả trục cam
tùy thuộc vào từng kết cấu cụ thể; giảm tải trọng quán tính do giảm các chi
tiết có khối lượng tham gia chuyển động tịnh tiến; có khả năng thay đổi thời
điểm đóng mở xupap, điều mà việc sử dụng trục cam dẫn động xupap rất khó
thực hiện.

10


Chương 2 - CÁC PHƯƠNG ÁN DẪN ĐỘNG
XUPAP BẰNG CƠ KHÍ
Hiện nay trên các động cơ, xupap được dẫn động chủ yếu bằng cách cụ
thể là dùng trục cam để đóng , mở xupap. Và thông qua các chi tiết trung gian
như con đội, đũa đẩy, đòn gánh, cò mổ … thì xupap được dẫn động một cách
gián tiếp. Ngoài ra để giảm bớt các chi tiết dẫn động trung gian xupap được
dẫn động trực tiếp từ cam hoặc qua một chi tiết trung gian là đòn bẩy để
khuyếch đại hành trình xupap. Và ta có hai phương án dẫn động xupap bằng
cơ khí chủ yếu là phương án gián tiếp và phương án trực tiếp và chúng có
những hạn chế nhất định.

Hình 2.1. Dẫn động xupap
a. Dẫn động trực tiếp
b. Dẫn động kiểu gián tiếp thông qua cơ cấu trung gian (cò mổ)
c. Dẫn động kiểu gián tiếp thông qua cơ cấu trung gian (con đội, đũa đẩy, cò
mổ)
d. Dẫn động kiểu gián tiếp thông qua cơ cấu trung gian (con đội
e. Dẫn động kiểu gián tiếp thông qua cơ cấu trung gian (con đội cò mổ)

11


2.1. Phương án gián tiếp
Những động cơ có sơ đồ bố trí xupap đặt thường sử dụng phương án
dẫn động gián tiếp xupap thông qua con đội và sử dụng mộ trục cam bố trí
trong hộp trục khuỷu.

Hình 2.2. Cơ cấu phân phối khí dùng xupap đặt
1 – trục cam; 2- thân máy; 3- con đội; 4 – đế lò xo xupap; 5- lò xo xupap; 6 ống dẫn hướng; 7 – xupap; 8 –bánh răng dẫn động bánh răng cam
Xupap được lắp ở một bên thân máy ngay trên trục cam và được trục
cam dẫn động xupap thông qua con đội. Xupáp nạp và xupáp thải của các xi
lanh 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. 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.

12

Xupap treo được dẫn động bằng trục cam bố trí trong hộp trục khuỷu
cũng rất thông dụng cho động cơ hình chữ “V” cũng như trong động cơ một
xi lanh (hình 2.3).

Hình 2.3. Phương án dẫn động gián tiếp xupap với trục cam
bố trí trong hộp trục khuỷu
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
Xupap đặt trên nắp máy và được trục cam dẫn động thông qua con đội,
đũa đẩy, đòn bẩy dẫn động gián tiếp xupap.
Trên các động cơ cao tốc, trục cam được bố trí trên nắp xi lanh thay
cho việc bố trí giữa hai khối thân xi lanh hoặc trong hộp trục khuỷu (hình
2.4).

13


Hình 2.4. Phương án dẫn động gián tiếp xupap
với trục cam trên nắp máy
Việc đưa trục cam lên bên trên nắp xi lanh làm cho kết cấu dẫn động
đơn giản hơn (giảm được con đội, đũa đẩy và cò mổ nếu đẫn động trục tiếp
xupap). Như vậy sẽ giảm được tải trọng lực quán tính, khối lượng, kích thước
lò xo xupap và cho phép tăng tốc độ động cơ.
Một nhược điểm của phương án bố trí này là khoảng cách lớn giữa trục
khuỷu và trục cam. Nếu dùng hệ thống bánh răng hoặc kết hợp bánh răng,
bánh răng côn và trục truyền thì kết cấu phức tạp, nhiều chi tiết, khối lượng và
lực quán tính lớn nên ảnh hưởng tới khả năng gia tốc và hạn chế mức độ
cường độ hóa động cơ theo tốc độ trục khuỷu. Nguyên nhân là tiếng ồn lớn và
hiệu suất cơ khí của bộ truyền giảm nhanh ở tốc độ cao. Để khắc phục những

nhược điểm này người ta thường sử dụng bộ truyền xích (TOYOTA, LADA,
HONDA, MOCKBH4 412). Xích còn được dùng cho cả trường hợp khi mà
trục cam bố trí trong hộp trục khuỷu thay cho việc dùng ba, bốn bánh răng.

14


2.2. Phương án dẫn động trực tiếp
Trên các động cơ công suất lớn số lượng xupap nhiều hơn (thường là
bốn) cho mỗi xi lanh nên thường dùng hai trục cam cho một dãy xi lanh và
cam tác động trực tiếp lên xupap. Như vậy trong kết cấu của cơ cấu phân phối
khí sẽ không còn đũa đẩy, cò mổ, trục cò mổ, con đội và kết cấu trở nên đơn
giản hơn.

Hình 2.5. Cơ cấu phân phối khí trục cam đặt trên nắp máy tác động trực tiếp
lên xupap, trường hợp có sử dụng cốc mỏng dẫn hướng
Ở động cơ tốc độ cao xích và đai răng thường được dùng dẫn động các
trục cam. Phương án này làm giảm đến mức tối đa giới hạn các chi tiết truyền
động từ trục cam đến xupáp thuận tiện cho việc tăng tốc độ động cơ. Dẫn
động bằng xích có ưu điểm gọn nhẹ có thể dẫn động trục cam ở khoảng cách
lớn. Tuy vậy phương án này có nhược điểm là giá thành của xích đắt hơn giá
thành chế tạo bánh răng nhiều. Khi phụ tải lớn và sau một thời gian sử dụng,
xích thường bị rão, gây nên tiếng ồn và làm sai lệch phân phối khí. Để giữ
cho xích luôn được căng thường dùng cơ cấu căng xích có lò xo hoặc vít điều

15


chỉnh độ căng của xích. Để chống rung cho xích người ta dùng tấm dẫn
hướng cho xích. (hình 2.6)

Hình 2.6. Cơ cấu dẫn động bằng xích
1 – trục khuỷu; 2 – bánh răng cơ; 3 – xích; 4 – guốc căng xích; 5 – cơ cấu
căng xích; 6 – bánh răng cam; 7 – trục cam; 8 – đòn bẩy xupap; 9 – xupap;
10 – bạc của bulông điều chỉnh; 11- bu lông điều chỉnh; 12 – cơ cấu đỡ xích;
13 – bánh răng dẫn động bơm dầu
Việc kết hợp xích để dẫn động cả bơm cao áp và các cụm khác càng
làm cho kết cấu thêm đơn giản. Tuy nhiên tuổi thọ của xích thấp, giá thành
xích cao làm tăng giá thành của động cơ. Nhược điểm nữa của bộ truyền động
xích là phải thực hiện bôi trơn (như với truyền động bánh răng), xích bị rão sẽ
làm muộn pha phối khí trong khi phải có cơ cấu căng và giảm rung động xích.
Một phương án khác thay cho xích là dùng đai răng. Đai răng cho phép
tăng tốc độ truyền động mà tiếng ồn lại thấp hơn trong khi không cần bôi trơn
vì thế các động cơ hiện đại ngày nay, kể cả động cơ điêsel, có xu hướng dùng
dây đai răng thay cho xích (hình 2.7).

16


Hình 2.7. Dẫn động bằng đai
Để dẫn động trục cam đối với động cơ có tốc độ trục khuỷu tương đối
thấp thường sử dụng các cặp bánh răng hoặc dùng trục trung gian kết hợp với
bánh răng và bánh răng côn (hình 2.8).

Hình 2.8: 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.

17