CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÍ TRÊN Ô TÔ

Cơ sở lý thuyết về hệ thống phân phối khí

Chương 1 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÍ
1.1 Nhiệm vụ, yêu cầu, phân loại
1.1.1 Nhiệm vụ
Hệ thống phân phối khí dùng để nạp đầy hỗn hợp hòa khí đối với động cơ xăng
hay không khí sạch đối với động cơ diesel vào các xylanh ở kỳ nạp và thải sạch khí
thải trong xylanh ở kỳ xả.
1.1.2 Yêu cầu
Đóng mở các xupap đúng lúc, đúng thì, đúng thứ tự hoạt động của động cơ, đóng
kín các của nạp và cửa thải trong kỳ nén, cháy và giãn nở
Đảm bảo việc nạp đầy nghĩa là hệ số nạp ηv phải lớn và việc xả sạch nghĩa là hệ
số khí sót γ r phải nhỏ.
Đảm bảo trị số “thời gian - tiết diện” thông qua phải lớn để dòng khí dễ lưu thông
Làm việc êm dịu, độ tin cậy và tuổi thọ cao, thuận tiện trong việc chế tạo, bảo
dưỡng, sửa chữa.
1.1.3 Phân loại
Hệ thống phân phối khí dùng cam và xupap được dùng phổ biến trên ĐCDT do
kết cấu đơn giản và dễ dàng điều chỉnh. Loại này lại được phân ra nhiều loại:
• Kiểu xupap treo: dùng phổ biến trên các động cơ hiện đại
 Loại OHV (OverHead Valve): trục cam đạt dưới thân máy, xupap
bố trí trên nắp máy và được điều khiển qua con đội, đũa đẩy và cò
mổ
 Loại OHC (OverHead Camshaft): loại có một trục cam đặt trên nắp
máy SOHC (Single OverHead Camshaft) và hai trục cam đặt trên
nắp máy DOHC (Double OverHead Camshaft) điều khiển trực tiếp
xupap hoặc thông qua cò mổ.
• Kiểu xupap đặt: ngày nay ít được sử dụng nên không đề cập trong đề tài
Hệ thống phân phối khí dùng pittông đóng mở các cửa nạp và cửa thải thường
được dùng trên động cơ 2 kỳ, có ưu điểm kết cấu đơn giản không phải điều chỉnh sửa
chữa nhưng chất lượng trao đổi khí không tốt

GVHD : Th.S Lý Văn Trung

1


Cơ sở lý thuyết về hệ thống phân phối khí

Hệ thống phân phối khí dùng van trượt trên xe đặc chủng và xe đua có tiết diện
thông qua lớn, chất lượng trao đổi khí cao nhưng giá thành chế tạo mắc.
Hệ thống điều khiển xupap bằng điện từ EVA (Electro-magnetic Valve Actuation
Systems). ECU nhận tín hiệu từ các cảm biến điều khiển cuộn solenoid hay nam châm
điện đóng mở trực tiếp xupap, hệ thống này không sử dụng trục cam và có thể thay đổi
được thời điểm, thời gian và độ nâng xupap một cách tối ưu tùy thuộc vào các chế độ
hoạt động của động cơ.
1.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của một số hệ thống phân phối khí phổ biến
trên ĐCDT hiện nay
1.2.1 Hệ thống phân phối khí xupap treo loại OHV

Hình 1.1 Kết cấu xupap treo loại OHV
1-Ống dẫn hướng. 2-Lò xo xupap. 3-Đĩa lò xo. 4-Móng hãm. 5-Xupap. 6-Cò mổ.
7-Vít chỉnh xupap. 8-Đế xupap. 9-Đũa đẩy. 10-Con đội. 11- Cam
Nguyên lý làm việc: trục cam 11 nằm trong thân máy và được dẫn động trực
tiếp bằng bánh răng hoặc qua xích. Khi trục cam quay làm cho bề mặt làm việc của
cam tác động vào con đội 10 đẩy đũa đẩy 9 đi lên làm cò mổ xoay quanh trục của nó.
Đầu kia của cò mổ ấn đuôi xupap đi xuống, lúc này lò xo bị nén lại. Xupap đi xuống
làm thông của nạp với xylanh động cơ nếu trong kỳ hút hoặc cửa thải với xylanh động
cơ nếu trong kỳ xả. Khi cam 11 quay hết hành trình tác dụng thì lò xo 2 sẽ dãn ra đóng
GVHD : Th.S Lý Văn Trung

2


Cơ sở lý thuyết về hệ thống phân phối khí

xupap lại kết thúc quá trình hút hoặc thải. Quá trình này diễn ra liên tục khi động cơ
hoạt động, mỗi một chu kỳ xupap hút và xả chỉ mở một lần.
Ưu điểm: có các ưu điểm của loại xupap treo như có thể tăng tí số nén động cơ
do buồng đốt có kết cấu nhỏ lại, diện tích truyền nhiệt giảm nên giảm tổn thất nhiệt,
tăng hệ số nạp và giảm hệ số khí sót do kết cấu đường nạp và thải thông thoáng hơn.
Nhược điểm: thân máy và nắp máy có kết cấu phức tạp hơn, tăng chiều cao
động cơ và cơ cấu dẫn động phức tạp.
1.2.2 Hệ thống phân phối khí xupap treo loại OHC

6
7

5
4
3

8

2
1
Hình 1.2 Kết cấu xupap treo loại OHC

1-Xupap. 2-Ống dẫn hướng. 3-Lò xo xupap. 4-Đĩa lò xo. 5-Con đội. 6-Cam.
7-Móng hãm. 8-Đế xupap
Nguyên lý làm việc: trục cam 6 đặt trên nắp máy và được dẫn động bằng trục

khuỷu thông qua dây đai hoặc xích. Nguyên lý làm việc được chia làm hai quá trình cơ
bản sau: quá trình vấu cam đẩy mở xupap và quá trình lò xo giãn đóng kín xupap.
Quá trình vấu cam đẩy mở xupap: khi động cơ làm việc trục khuỷu quay làm
cho bánh xích dẫn động cơ cấu phân phối khí lắp ở đầu trục khuỷu quay theo, thông
qua bộ truyền động xích hoặc đai trung gian dẫn động các bánh xích hoặc bánh đai lắp
ở đầu các trục cam do đó làm cho các trục cam đóng mở xupap quay. Khi các vấu cam
tiếp xúc với con đội 5 làm con đội bắt đầu chuyển động đi xuống tác động vào đĩa lò
xo ép lò xo xupap 3 nén lại đồng thời xupap chuyển động đi xuống làm mở các cửa

GVHD : Th.S Lý Văn Trung

3


Cơ sở lý thuyết về hệ thống phân phối khí

nạp nếu trong giai đoạn nạp khí vào xylanh động cơ và cửa thải nếu trong quá trình
thải thực hiện quá trình nạp môi chất mới và thải khí cháy ra ngoài.
Quá trình lò xo giãn đóng kín xupap: khi trục cam tiếp tục quay, vấu cam di
chuyển theo cho đến khi đỉnh của vấu cam vượt qua đường tâm con đội. Lúc này con
đội 5 bắt đầu di chuyển đi lên, lò xo xupap 3 từ từ giãn ra nhờ vào đĩa chặn lò xo 4
cùng với các móng hãm đẩy xupap tịnh tiến về vị trí ban đầu thực hiện quá trình đóng
kín xupap. Chu trình đóng mở được lặp đi lặp lại như vậy tuân theo chu kì làm việc
của pha phân phối khí.
Ưu điểm: giống loại xupap treo OHV, trục cam nằm trên nắp máy thuận tiện
trong việc bảo dưỡng, sửa chữa, lắp ghép.
Nhược điểm: dẫn động trục cam phức tạp hơn, nắp máy khó đúc.
1.2.3 Hệ thống phân phối khí không trục cam (Camless): Gồm có loại điện
từ, điện–thủy lực và loại thủy lực. Dưới đây trình bày loại điện từ EVA
(Electro-magnetic Valve Actuation Systems)

Nam châm điện

Phần ứng

Chén chặn

Lò xo giãn
Lò xo nén
Lò xo

Xupap
Hình 1.3 Cấu tạo của hệ thống điều khiển xupap bằng điện từ EVA
Trục cam là một cơ cấu phức tạp, làm tăng trọng lượng động cơ và tiêu hao
nhiều công suất do mất mát ma sát. Do kết cấu vật lý nên một cam chỉ điều khiển
chuyển động của một xupap với các thông số thời điểm và độ nâng hạn chế do đó sẽ
không tối ưu cho tất cả các chế độ hoạt động của động cơ. Những tiến bộ trong công

GVHD : Th.S Lý Văn Trung

4


Cơ sở lý thuyết về hệ thống phân phối khí

nghệ điều khiển thay đổi thời gian và độ nâng xupap VVT trong những năm gần đây
đã cải thiện được hiệu suất và hiệu quả động cơ tuy nhiên các hệ thống này vẫn còn
phức tạp và chưa tối ưu. Hệ thống phân phối khí không trục cam được phát minh đã
mang lại bước đột phá mới trong động cơ đốt trong. Với công nghệ này động cơ không
cần sử dụng bướm ga đã làm giảm sự cản trên đường ống nạp và tổn thất do bơm, việc
điều khiển lượng hòa khí mới vào trong xylanh bằng việc thay đổi thời gian và hành

trình xupap.
Cấu tạo cơ cấu chấp hành gồm nam châm điện (electromagnet) được đặt phía
trên đỉnh xupap, miếng sắt từ đóng vai rò phần ứng được kết nối với đuôi xupap, các
lò xo hoàn lực, chén chặn và xupap.
Khi nam châm điện phía trên được kích hoạt sẽ tạo ra một lực từ trường hút
miếng sắt phần ứng lên trên cùng làm cho xupap ở vị trí đóng
Khi từ tính do nam châm điện phía trên bị ngắt, miếng sắt phần ứng kết nối với
đuôi xupap sẽ bị kéo xuống bởi lò xo. Bộ chấp hành nam châm điện phía dưới sẽ duy
trì xupap ở vị trí mở.
6
5

4

3

2

1

Hình 1.4 Cấu trúc hệ thống
1-Tín hiệu từ các cảm biến. 2- ECU. 3- Bộ chấp hành điều khiển xupap hút
4-Xupap hút. 5- Bộ chấp hành xupap xả. 6- Xupap xả
Hệ thống sử dụng các nam châm điện 3 và 5 để đóng mở xupap 4 và 6. Tín hiệu
nhập vào từ các cảm biến 1 thông qua mạch giao tiếp nhập/xuất như vị trí pittông, tốc
độ động cơ, tố độ xe, nhiệt độ nước làm mát, áp suất khí nạp…ECU liên tục nhận tín
hiệu từ các cảm biến sau đó tính toán thời gian và độ nâng xupap tối ưu để điều khiển
bộ chấp hành nam châm điện. Sự chính xác của tín hiệu đầu vào là rất quan trọng để
động cơ hoạt động hiệu quả.

GVHD : Th.S Lý Văn Trung

5


Cơ sở lý thuyết về hệ thống phân phối khí

Ưu điểm: giảm 20% lượng tiêu thụ nhiên liệu, 20% các khí thải ô nhiễm và tăng
20% mômen xoắn ở tốc độ thấp, giảm ma sát do dễ bôi trơn và kết cấu đơn giản không
còn các bộ phận truyền động, nắp máy được đơn giản hóa.
Nhược điểm: tuy có rất nhiều ưu điểm nhưng động cơ với xupap điều khiển
điện tử vẫn có những khiếm khuyết như khả năng xảy ra trục trặc lớn do lệ thuộc nhiều
vào các thiết bị điện tử. Nếu máy tính điện tử gặp sự cố hoặc hệ thống điện có trục
trặc, rất có thể động cơ sẽ cho ra lượng khí thải độc hại lớn hoặc tệ hơn nếu xupap
đóng mở không đúng thời điểm sẽ phá vỡ đỉnh pittông, hư hỏng động cơ.
1.3 Ảnh hưởng của việc thay đổi pha phân phối khí tới hiệu quả động cơ (Công
nghệ thay đổi thời điểm phối khí VVT-Variable Valve Timing)
Trước khi đi sâu nghiên cứu về sự thay đổi pha phân phối khí trên các hệ thống
phân phối khí thông minh tới hiệu quả động cơ ta đi tìm hiểu ảnh hưởng của pha phân
phối khí tới quá trình thải và nạp của động cơ bốn kỳ cổ điển.
Theo lý thuyết đơn giản với 7200 góc quay trục khuỷu thì mỗi kỳ tương ứng với
1800 và xupap xả bắt đầu mở khi pittông ở điểm chết dưới đầu kỳ xả và đóng lại khi
pittông tới điểm chết trên và lúc này xupap hút mở và khi pittông tới điểm chết dưới
trong kỳ nạp thì đóng lại. Tuy nhiên trên các động cơ đốt trong thực tế thì có sự thay
đổi thời điểm mở và khoảng thời gian mở các xupap sao cho động cơ hoạt động với
hiệu quả cao nhất đồng thời khí thải phát ra ít gây ô nhiễm môi trường.

Hình 1.5 Pha phân phối khí động cơ bốn kỳ không tăng áp
GVHD : Th.S Lý Văn Trung

6


Cơ sở lý thuyết về hệ thống phân phối khí

ϕ1 - góc mở sớm xupap nạp. ϕ2 - góc đóng trễ xupap nạp
ϕ3 - góc mở sớm xupap xả. ϕ4 - góc đóng trễ xupap xả
ϕ s - góc đánh lửa hoặc phun dầu sớm

1.3.1 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm mở xupap xả (Effects of Changes to
Exhaust Valve Opening Timing – EVO)
Xupap thải bắt đầu mở sẽ làm cho áp suất cao trong xylanh trong quá trình đốt
cháy được thoát ra ngoài qua hệ thống xả.
Xupap thải mở sớm trước khi pittông tới điểm chết dưới (điểm b’ trên hình) sẽ tạo
điều kiện thuận lợi cho quá trình thải bằng cách cho sản vật cháy tự thoát ra ngoài nhờ
chênh áp giữa xylanh và đường thải. Với mục đích giảm tải trọng động cho xupap cần
phải cho xupap mở và đóng đường thông một cách từ từ. Chính vì vậy việc mở sớm
xupap thải nhằm tạo ra giá trị “thời gian-tiết diện” đủ để áp suất trong xylanh giảm tới
mức yêu cầu khi pittông đi ngược từ điểm chết dưới lên điểm chết trên. Khi đã mở
sớm xupap thải vào thời điểm hợp lý sẽ làm giảm công tiêu hao cho việc đẩy khí thải
ra ngoài.
Nhưng nếu mở xupap thải quá sớm sẽ làm giảm công giãn nở trên đồ thị công
qua đó làm giảm công suất động cơ.
Hai yêu cầu trên mâu thuẫn với nhau. Trên các động cơ đốt trong cổ điển thì pha
phân phối khí được chọn cố định nên phải cân đối lợi ích giữa hai yếu tố trên. Còn trên
các động cơ có trang bị hệ thống phân phối khí thông minh thì hệ thống sẽ thay đổi
thời điểm mở xupap thải sao cho động cơ đạt được hiệu suất cao nhất ở mọi tốc độ và
tải động cợ
Trong chế độ tải nhỏ hay một phần tải động cơ sẽ đạt hiệu suất cao hơn nếu như
thời điểm mở xupap thải càng gần ĐCD hơn càng tốt vì ở chế độ này áp lực khí cháy

trong xylanh nhỏ hơn nên cũng cần ít thời gian hơn để đẩy khí cháy ra ngoài. Ngược
lại khi động cơ ở chế độ toàn tải thì cần mở xupap thải sớm tức trước khi pittông tới
ĐCD vì cần có đủ thời gian để đẩy sạch khí cháy ra ngoài, tuy mất một ít công trên đồ
thị p-v nhưng bù vào đó quá trình nạp trong chu kỳ kế tiếp có lợi ích lớn hơn nên nhìn
chung động cơ sẽ đạt được hiệu quả cao hơn.

GVHD : Th.S Lý Văn Trung

7


Cơ sở lý thuyết về hệ thống phân phối khí

Xupap xả

ĐCT

ĐCD

Cải thiện mômen
xoắn ở tốc độ cao
Trước
ĐCD

Cải thiện mômen
xoắn ở tốc độ
thấp và hiệu quả
ở tải nhỏ

Hình 1.6 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm mở xupap xả

1.3.2 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm đóng xupap xả (Effects of Changes
to Exhaust Valve Closing Timing – EVC)
Xupap thải bao giờ cũng đóng trễ sau khi pittông đã đi qua điểm chết trên nhằm
đảm bảo cho sản vật cháy được thoát hết ra ngoài, mặt khác lợi dụng chênh áp để sản
vật cháy được thải tiếp giảm lượng khí sót còn lại trong xylanh. Ngoài ra việc đóng
muộn xupap thải còn nhằm sử dụng quán tính trên đường thải sinh ra giảm áp có tính
chu kỳ thấp hơn giá trị trung bình của pth tạo điều kiện để thải sạch hơn.
Thời điểm đóng xupap thải có ảnh hưởng rất quan trọng đến việc khí thải còn lại
trong xylanh trong kỳ hút tiếp theo. Thời điểm đóng xupap thải là một thông số quan
trọng trong việc điều khiển lưu hồi khí thải và góc trùng điệp của hai xupap.
Khi ở chế độ đầy tải mong muốn cho lượng khí thải còn lại trong xylanh là ít nhất
để tối đa lượng hòa khí mới nạp vào trong xylanh trong kỳ hút kế tiếp. Điều này đòi
hỏi thời điểm đóng xupap thải phải càng gần ngay ĐCT. Ngoài ra trong động cơ có hệ
thống xả tích cực nghĩa là sử dụng sóng áp suất của dòng khí xả xylanh khác thì thời
điểm đóng xupap xả cũng ảnh hưởng tới sóng áp suất làm ảnh hưởng tới việc đẩy hay
hút khí xả ra ngoài hoặc trở lại xylanh. Sóng áp suất thay đổi theo tốc độ động cơ do
đó nếu cố định thời điểm đóng xupap xả ở một tốc độ nào đó sẽ gây ảnh hưởng tới các
chế độ hoạt động khác của động cơ.

GVHD : Th.S Lý Văn Trung

8


Cơ sở lý thuyết về hệ thống phân phối khí

Khi động cơ hoạt động ở chế độ một phần tải thì thời điểm đóng muộn xupap thải
có thể mang lại lợi ích lớn từ việc giữ lại một phần khí thải để hạn chế hòa khí mới nạp
vào. Khí thải được giữ lại do đó làm giảm sự hoạt động cần thiết của bớm ga để điều
khiển lượng hòa khí vào buồng đốt và kết quả làm giảm tổn thất bơm trong kỳ hút tiếp

theo. Di chuyển thời điểm đóng trễ xupap thải sẽ làm tăng tuần hoàn khí thải tương
ứng giảm phát thải khí thải làm động cơ thân thiện với môi trường.
Giới hạn bao nhiêu khí thải còn lại trong xylanh là cần thiết để đặc tính sự cháy
vẫn ổn định và không ảnh hưởng tới công suất động cơ. Tuần hoàn khí thải làm giảm
dụng tích xylanh của buồng đốt do lượng khí trơ chiếm chỗ do đó sẽ làm giảm công
suất và gây ra đặc tính cháy xấu. Vì vậy ở chế độ cầm chừng và tốc độ thấp không nên
sử dụng việc lưu hồi để ổn định tốc độ cầm chừng, khi ở tốc độ cao cũng vậy để công
suất và mômen động cơ phát ra đạt tối đa.
Xupap xả

ĐCT

ĐCD

Sau
ĐCT

Cải thiện hiệu quả động cơ
ở chế độ cầm chừng, toàn
tải và tốc độ cao do giảm
EGR
Cải thiện hiệu quả động cơ
ở chế độ tốc độ, tải trung
bình do làm tăng EGR

Hình 1.7 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm đóng xupap xả
1.3.3 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm mở xupap nạp (Effect of changes to
Intake Valve Opening Timing – IVO)
Việc mở xupap nạp cho phép hòa khí vào xylanh từ ống góp hút (trong động cơ
diesel hay động cơ phun xăng trực tiếp thì chỉ có không khí). Thời gian bắt đầu mở

xupap nạp cần chọn sao cho khi áp suất trong xylanh (do giãn nở của khí sót) hạ thấp
hơn áp suất môi chất trên đường nạp thì tiết diện lưu thông của xupap nạp đã đủ lớn để
môi chất mới đi vào. Do đó thường mở sớm xupap nạp trước ĐCT (BTDC). Thời điểm

GVHD : Th.S Lý Văn Trung

9


Cơ sở lý thuyết về hệ thống phân phối khí

mở xupap nạp là thông số thứ hai xác định góc trùng điệp của xupap nạp và xupap xả
(cả hai xupap đều mở) ( ϕ1 + ϕ4 ) đó đó thời điểm đóng xupap xả và mở xupap nạp thay
đổi sẽ làm thay đổi thời điểm phối khí, thay đổi lượng luân hồi khí thải.
Xupap nạp

Có thể giảm EGR phụ thuộc
vào thời điểm đóng xupap xả

ĐCT
Trước
ĐCT
ĐCD

Có thể tăng EGR phụ thuộc
vào thời điểm đóng xupap xả

Hình 1.8 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm mở xupap nạp
1.3.4 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm đóng xupap nạp (Effect of changes
to Intake Valve Closing Timing – IVC)

Hiệu quả thể tích hòa khí nạp vào phụ thuộc vào thời điểm đóng xupap nạp theo
từng tốc độ và tải động cơ. Thời điểm đóng xupap nạp quyết định bao nhiêu hòa khí sẽ
được nạp vào xylanh do đó ảnh hưởng tới tính kinh tế và hiệu quả động cơ.
Để đạt được mômen xoắn tối đa xupap nạp đóng muộn sau khi pittông đã vượt
qua điểm chết dưới nhằm nạp thêm môi chất mới vì ở điểm chết dưới tiết diện lưu
thông qua xupap còn lớn, áp suất trong xylanh p a còn thấp hơn áp suất trên đường ống
nạp pk quán tính của môi chất mới từ đường nạp vào xylanh vẫn còn. Do đó có thể kéo
dài quá trình nạp thêm một giai đoạn sau điểm chết dưới cho tới khi áp suất trong
xylanh trở nên lớn hơn pk. Mặt khác còn lợi dụng quán tính của dòng khí nạp tốc độ
cao để nạp thêm môi chất giúp tối đa lượng hòa khí nạp vào để công suất và mômen
động cơ phát ra tối đa.
Việc đóng sớm xupap nạp sẽ làm giảm hòa khí nạp vào xylanh giúp tiết kiệm
nhiên liệu ở chế độ tải nhỏ. Việc đóng sớm xupap nạp ở chế độ tải nhỏ còn giúp hạn
chế hòa khí quay trở lại ống góp hút và hạn chế tổn thất bơm.
GVHD : Th.S Lý Văn Trung

10


Cơ sở lý thuyết về hệ thống phân phối khí

Xupap nạp

Đóng trễ sau ĐCD
giúp tăng mômen xoắn
tối đa

ĐCT
Sau
ĐCD

ĐCD

Đóng gần ĐCD làm
giảm hòa khí nạp giúp
tiết kiệm nhiên liệu ở
chế độ tải nhỏ

Hình 1.9 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm đóng xupap nạp
Thời gian mở sớm và đóng muộn của các xupap theo góc quay trục khuỷu tính
bằng độ tạo thành pha phân phối khí của động cơ. Động cơ vận tải hoạt động ở các tốc
độ khác nhau mà mỗi tốc độ lại tương ứng với một pha phân phối khí tối ưu đảm bảo
cho hệ số nạp đạt cực đại. Nhưng trên thực tế các động cơ cổ điển không thể thay đổi
được điều này. Pha phân phối khí trong mỗi động cơ được quyết đinh sau khi thử
nghiệm và lấy ở tốc độ xe hay hoạt động.

Loại động

Tốc độ

cơ

động cơ

Zill 130
Peugeot
Renault

3200
5400

4500

D6
Man
Henshel

1500
2000
2200

Xupap nạp
Mở trước Đóng sau

Xupap xả
Mở trước Đóng sau

Góc trùng

điệp
ĐCD
ĐCD
ĐCT
Động cơ xăng ô tô
0
31
830
670
470
780
00

30030’
350
4030’
4030’
động13cơ0
60
300
450 Đường mômen
70
cơ diesel không tăng áp
4 Động
0
20
480
480
200
400
20
250
400
80
100
0
0
0
0
17
42
42
17

340
5
Pha phân phối khí ở một số động cơ cổ điển
ĐCT

Tải động
Trên các động cơ hiện đại có trang bị hệ thống phân phối khí thông minh thì
cơ
pha phân phối khí có thể điều chỉnh trong phạm vi nhất định sao cho động cơ hoạt
động hiệu quả ở mọi chế độ.

3
1 và 2

GVHD : Th.S Lý Văn Trung

11

Tốc độ động cơ


Cơ sở lý thuyết về hệ thống phân phối khí

Hình 1.10 Đồ thị mômen động cơ
Ở chế độ cầm chừng (phạm vi số 1 trên biểu đồ) công sinh ra chỉ cần để thắng
các lực ma sát nên tốc độ động cơ thấp và khi có sự tăng tải bất ngờ thì động cơ dễ bị
chết máy. Chế độ này yêu cầu tỉ lệ hòa khí nạp vào xylanh động cơ đậm hơn và việc
thải sạch khí thải để hệ số khí sót thấp dẫn tới môi chất công tác được tốt hơn. Lúc này
cần pha phân phối khí trễ hơn tức điều chỉnh góc trùng điệp ( ϕ1 + ϕ4 ) nhỏ lại để khí
cháy được thải sạch ra ngoài, giảm khí xả chạy ngược lại phía nạp. Điều này làm ổn

định chế độ không tải.
ĐCT
Góc trùng điệp nhỏ nhất

Xả

Nạp

ĐCD
Hình 1.11 Chế độ cầm chừng
Khi ở chế độ tải nhẹ (phạm vi số 2 trên biểu đồ) nghĩa là áp suất trên ống góp
hút rất thấp nên có xu hướng hút khí xả trên ống góp xả lại nên thời điểm phối khí của

GVHD : Th.S Lý Văn Trung

12


Cơ sở lý thuyết về hệ thống phân phối khí

trục cam nạp cũng cần được làm trễ lại và độ trùng điệp xupap ( ϕ1 + ϕ4 ) giảm đi. Điều
này làm ổn định tốc độ động cơ.
ĐCT

Xả

Góc trùng điệp nhỏ

Nạp

ĐCD
Hình 1.12 Khi ở chế độ tải nhẹ
Chế độ tải trung bình (phạm vi số 3 trên biểu đồ) pha phân phối khí của động
cơ được điều chỉnh sớm và độ trùng lặp xupap tăng lên để tăng tuần hoàn khí thải
(EGR). Điều này cải thiện ô nhiễm khí xả và tính tiết kiệm nhiên liệu, hiệu suất làm
việc của động cơ tăng lên.
ĐCT

Xả

Góc trùng điệp lớn

Nạp

ĐCD
Hình 1.13 Chế độ tải trung bình
Trong phạm vi tốc độ thấp tới trung bình với tải nặng (phạm vi số 4 trên biểu
đồ) do lúc này tốc độ động cơ thấp và tải nặng nên áp suất trên đường ống nạp lớn hơn
xupap nạp cần được đóng sớm lại để hòa khí nạp vào đảm bảo vừa đủ cải thiện hiệu
ĐCT
suất thể tích nạp. Điều này làm cải thiện mômen xoắn ở tốc độ thấp tới trung bình.

Xả

Nạp

GVHD : Th.S Lý Văn Trung

Đóng sớm xupap nạp
ĐCD

13


Cơ sở lý thuyết về hệ thống phân phối khí

Hình 1.14 Tốc độ thấp tới trung bình với tải nặng
Trong phạm vi tốc độ cao với tải cao (phạm vi số 5 trên biểu đồ) thì cần làm
chậm thời điểm đóng xupap nạp để lợi dụng quán tính của dòng khí nạp tốc độ cao
làm cải thiện hiệu suất thể tích nạp. Điều này cải thiện công suất đầu ra.
ĐCT

Xả

Đóng trễ xupap nạp

Nạp

ĐCD

Hình 1.15 Tốc độ cao với tải cao
Khi nhiệt độ động cơ thấp giảm góc trùng điệp xupap để ngăn chặn sự cháy xấu
và ổn định tốc độ không tải nhanh.

ĐCT

Giảm góc trùng điệp

Xả

Nạp

ĐCT
Góc trùng điệp nhỏ nhất
ĐCD
Hình 1.16 Khi nhiệt độ động cơ thấp
Khi khởi động hoặc khi động cơ ngừng góc trùng điệp ở vị trí nhỏ nhất để cải
thiện tính khởi động và cho
Xảlần khởi động tiếp theo.
GVHD : Th.S Lý Văn Trung

Nạp

14

ĐCD


Cơ sở lý thuyết về hệ thống phân phối khí

Hình 1.17 Khi khởi động hoặc khi động cơ ngừng

1.4 Ảnh hưởng của việc thay đổi độ nâng xupap tới hiệu quả động cơ (Công nghệ
thay đổi độ nâng xupap VVA-Variable Valve Actuation)

GVHD : Th.S Lý Văn Trung

15

Cơ sở lý thuyết về hệ thống phân phối khí

Thay đổi độ nâng xupap ảnh hưởng tới tiết diện lưu thông của dòng khí nạp qua
họng xupap. Ngoài ra nó còn làm thay đổi trị số “thời gian – tiết diện” A của đường
thông đi qua xupap nạp cũng như xupap xả nhờ đó làm giảm tốc độ dòng chảy và giảm
cản của các xupap, kết quả làm hệ số nạp tăng.
ϕc

1
A=
f dϕ
6n ϕ∫o

( m .s )
2

Trong đó :
n : ( vòng/phút ) tốc độ động cơ
f : ( m2 ) tiết diện lưu thông qua xupap
dϕ ( độ ) vi lượng góc quay trục khuỷu

Biểu thức trên cho ta thấy khi tốc độ động cơ càng cao thì trị số “thời gian-tiết
diện” càng giảm. Giả sử khi động cơ hoạt động ở tốc độ 6000 vòng/phút thì các xupap
sẽ phải mở và đóng 3000 lần mỗi phút tức 50 lần mỗi giây. Tốc độ nhanh như vậy sẽ
làm cho trị số “thời gian–tiết diện” giảm đi. Nhưng yêu cầu khi tốc độ động cơ cao thì
tiết diện lưu thông của xupap phải lớn để hòa khí nạp vào xylanh được nhiều hơn để
động cơ phát ra công suất và mômen lớn. Điều này chỉ có thể đạt được khi thời điểm
phối khí phù hợp và nhất là độ nâng xupap phải thay đổi để phù hợp với các chế độ
hoạt động của động cơ. Mà độ nâng xupap lại phụ thuộc vào dạng hình học của các
vấu cam trên trục cam. Do đó yêu cầu động cơ phải thay đổi được biên dạng cam theo

từng tốc độ khác nhau.
Hình 1.18 là trị số “thời gian-tiết diện” khi động cơ hoạt động ở 7500 vòng/phút
(hai đường gần trục tung) và khi động cơ hoạt động ở 1000 vòng/phút (hai đường cong
phía ngoài). Độ nâng xupap là 10 mm, góc trùng điệp là 52 0. Ta thấy ở tốc độ 7500
vòng/phút thì trị số “thời gian-tiết diện” giảm đi rõ rệt. Ở tốc độ 1000 vòng/phút và với
góc trùng điệp lớn 520 thì phần trị số “thời gian-tiết diện” của góc trùng điệp cũng lớn
gây ảnh hưởng xấu tới quá trình nạp. Để giảm thiểu điều này các động cơ trang bị hệ
thống phối khí thông minh sẽ điều chỉnh để khi tốc độ thấp, tải nhẹ thì góc trùng điệp
nhỏ. Hình 1.19 điều chỉnh góc trùng điệp 180.

GVHD : Th.S Lý Văn Trung

16


Cơ sở lý thuyết về hệ thống phân phối khí

Hình 1.18 Trị số “thời gian- tiết diện” với góc trùng điệp 520

Hình 1.19 Trị số “thời gian- tiết diện” với góc trùng điệp 180
Hệ thống VVT giải quyết vấn đề về góc trùng điệp tại điểm chết trên do đó nó
cũng làm thay đổi thời điểm của các xupap tại điểm chết dưới. Khi ở tốc độ thấp VVT
điều chỉnh góc trùng điệp nhỏ tức mở muộn xupap hút và đóng sớm xupap xả do đó tại
điểm chết dưới nó sẽ giữ mở xupap nạp nhiều hơn cần thiết và mở xupap xả sớm hơn
cần thiết.
GVHD : Th.S Lý Văn Trung

17

Cơ sở lý thuyết về hệ thống phân phối khí

Hình 1.20 Trị số “thời gian- tiết diện” với độ nâng xupap 1,3 mm ở 1000 vòng/phút
và 10mm ở 7500 vòng/phút

Hình 1.21 Trị số “thời gian- tiết diện” với độ nâng xupap
10 mm và 0,3 mm ở tốc độ 1000v/p

GVHD : Th.S Lý Văn Trung

18


Cơ sở lý thuyết về hệ thống phân phối khí

Hình 1.20 so sánh trị số “thời gian-tiết diện” ở hai chế độ tại số vòng quay 1000
vòng/phút, độ nâng xupap 1,3 mm và tại số vòng quay 7500 vòng/phút, độ nâng xupap
10 mm. Khi tốc độ và tải động cơ thay đổi thì ngoài việc thay đổi thời điểm phối khí
thì cần phải điều khiển độ nâng xupap hợp lý sao cho hòa khí nạp vào xylanh đủ để
phù hợp với các điều kiện hoạt động.
Hình 1.21 so sánh trị số “thời gian-tiết diện” ở tốc độ 1000 vòng/phút với độ
nâng xupap là 0,3 mm và 10 mm. Tại cùng số vòng quay và cùng góc trùng điệp
nhưng độ nâng xupap thay đổi thì ngoài việc trị số “thời gian-tiết diện” chính thay đổi
thì phần trị số “thời gian- tiết diện” của góc trùng điệp cũng giảm. Do đó việc thay đổi
độ nâng xupap tại tốc độ thấp cũng góp phần như việc điều chình thời điểm phân phối
khí để giảm việc khí xả quay trở lại đường nạp góp phần ổn định tốc độ động cơ.

Hình 1.22 Trị số “thời gian- tiết diện” khi thay đổi tốc độ động cơ
và độ nâng xupap
Hình 1.22 biểu diễn chế độ toàn tải khi độ nâng xupap thay đổi từ 0,6 mm ở

500 vòng/phút và tăng dần tại 900, 1800, 3700 vòng/phút và đạt 10 mm tại 7500
vòng/phút. Nếu độ nâng xupap không thay đổi thì ta có đồ thị như hình 1.23 bên dưới

GVHD : Th.S Lý Văn Trung

19


Cơ sở lý thuyết về hệ thống phân phối khí

Hình 1.23 Trị số “thời gian- tiết diện” khi thay đổi tốc độ động cơ
và độ nâng xupap cố định 10 mm

Hình 1.24 Trị số “thời gian- tiết diện” khi tốc độ động cơ 4000 vòng/phút
và độ nâng xupap thay đổi từ 5/5, 4/5, 3/5, 2/5, 1/5 tải

GVHD : Th.S Lý Văn Trung

20


Cơ sở lý thuyết về hệ thống phân phối khí

Hình 1.25 Trị số “thời gian- tiết diện” khi tốc độ động cơ 1500 vòng/phút
và độ nâng xupap thay đổi từ 5/5, 4/5, 3/5, 2/5, 1/5 tải
Ngoài ra khi độ nâng xupap còn tương đối nhỏ do độ nhớt của môi chất làm cho
dòng chảy men sát các mặt côn của tán và đế xupap điền đầy khe hở đi vào xylanh
(hình a) Khi tăng dần độ nâng xupap mới đầu dòng chảy tách khỏi mặt côn của tán tạo
nên dòng phun một phía (hình b) tiếp theo dòng chảy tách rời mặt côn của đế xupap
tạo tia phun tự do (hình c) lúc đó thấy rõ toàn bộ khe hở của tiết diện lưu thông qua

xupap không được lợi dụng hết. Đến khi xupap mở lớn hơn dòng chảy sẽ chịu sự can
thiệp của thành xylanh (hình d). Dựa vào các kết quả trên người ta tìm ra các phương
án nhằm tận dụng hết tiết diện lưu thông qua xupap và giảm cản cho khu vự này.

a

b

c

d

Dòng chảy qua xupap

GVHD : Th.S Lý Văn Trung

21


Cơ sở lý thuyết về hệ thống phân phối khí

Khi thay đổi độ nâng của xupap tức ta thay đổi được h và h’ làm cho tiết diện lưu
thông qua xupap f được lớn hơn.

Tiết diện lưu thông qua xupap
Khi α = 00 thì π d h h ≤

π d h2
4

Và hành trình xupap hmax =

dh
4

Trong trường hợp α ≠ 00 thì hành trình xupap thường phải lớn hơn

dh
mới có
4

thể đạt được tiết diện lưu thông bằng tiết diện họng đế xupap.
1.5 Nguyên lý điều chỉnh trên các hệ thống phân phối khí thông minh
Do động cơ trên ô tô hoạt động luôn thay đổi tốc độ mà mỗi tốc độ lại tương
ứng với các thông số thời điểm, độ nâng và thời gian mở của các xupap rất khác nhau.
Đối với động cơ cổ điển thì pha phân phối khí thực tế được chọn tối ưu ở một số vòng
quay nào đó phụ thuộc vào điều kiên sử dụng động cơ và độ nâng của xupap là không
thay đổi được. Nếu đặt điều kiện hoạt động tối ưu của các xupap ở tốc độ thấp thì quá
trình đốt nhiên liệu lại không hiệu quả khi động cơ hoạt động ở tốc độ cao, khiến công
suất chung của động cơ bị giới hạn. Ngược lại, nếu đặt điều kiện tối ưu ở tốc độ cao thì
động cơ lại hoạt động không tốt ở tốc độ thấp. Từ những hạn chế đó nên hệ thống phân
phối khí hiện đại ra đời với ý tưởng là tìm cách tác động để thời điểm mở xupap, độ
GVHD : Th.S Lý Văn Trung

22


Cơ sở lý thuyết về hệ thống phân phối khí

mở, khoảng thời gian mở và độ nâng xupap biến thiên theo từng tốc độ động cơ khác

nhau sao cho chúng mở đúng lúc, khoảng mở và thời gian mở đủ để nạp đầy hòa khí
vào buồng đốt và xả sạch khí cháy ra ngoài. Dựa vào nguyên tắc đó nhưng mỗi hãng
có những cơ cấu thay đổi pha phân phối khí và độ nâng xupap mang tên công nghệ
khác nhau và cải tiến qua từng giai đoạn.
TOYOTA phát minh ra hệ thống VVT-i có thể thay đổi được pha phân phối khí
liên tục tùy thuộc vào tốc độ động cơ khác nhau do ECU động cơ điều khiển, hệ thống
sẽ làm trễ, sớm hay giữ nguyên thời điểm phối khí so với thời điểm chuẩn tùy thuộc
vào các thông số và chế độ hoạt động của động cơ. Nhưng hệ thống VVT-i chưa thay
đổi được độ nâng của xupap. Khi mà động cơ cần momem xoắn và công suất cao thì
yêu cầu cần được nạp đầy đủ hòa khí (đối với động cơ xăng) và không khí (đối với
động cơ diesel), ngoài việc thay đổi pha phân phối khí thì yêu cầu độ nâng xupap với
hành trình dài hơn để trị số “thời gian–tiết diện” lớn để dòng khí lưu thông dễ dàng và
nạp được nhiều hơn. VVTL-i ra đời đã đáp ứng được các yêu cầu đặt ra. Bằng việc sử
dụng hai loại vấu cam tốc độ thấp và trung bình và vấu cam tốc độ cao trên cùng một
trục cam sẽ điều khiển được hành trình xupap theo tốc độ và tải trọng động cơ.
Hãng HONDA ban đầu phát triển công nghệ VTEC thay đổi thời gian và độ
nâng xupap cũng bằng việc sử dụng hai loại vấu cam có biên dạng khác nhau trên một
trục cam, khi chuyển đổi giữa các vấu cam thì độ nâng xupap thay đổi rõ rệt nhưng
pha phân phối khí thì thay đổi không đáng kể và không biến thiên liên tục do đó mang
lai hiệu quả chưa cao. Phải đến khi hệ thống i-VTEC được phát minh có thêm cơ cấu
thay đổi thời gian phân phối khí VTC biến thiên liên tục theo các chế độ hoạt động của
động cơ thì sự tiết kiệm nhiên liệu và giảm độc hại khí thải được nâng cao. Vì vậy
công nghệ VVTL-i và i-VTEC đang mang những đặc trưng khá giống nhau.
Mitsubishi phát minh ra hệ thống MIVEC có nguyên lý hoạt động gần giống
với i-VTEC. Cam tốc độ thấp hoạt động khi tốc độ thấp và cam tốc độ cao hoạt động
khi tốc độ động cơ cao, cùng với cơ cấu thay đổi thời điểm phối khí làm cho động cơ
trang bị hệ thống MIVEC đạt được hiệu suất cao.
BMW có hệ thống VANOS thay đổi thời điểm phân phối khí và hệ thống
VALVETRONIC thay đổi thời điểm và độ nâng của xupap. VALVETRONIC là một
cải tiến quan trọng giúp động cơ hoạt động hiệu quả, nó có thể thay đổi độ nâng xupap

GVHD : Th.S Lý Văn Trung

23


Cơ sở lý thuyết về hệ thống phân phối khí

một cách tuyến tính tử 0 – 9,7 mm. Động cơ có thể không cần sử dụng bướm ga do đó
giảm sức cản trên đường nạp và tổn thất do bơm giúp tăng công suất, việc điều chỉnh
lượng hòa khí vào trong xylanh là do độ nâng của xupap. Khi tốc độ thấp xupap mở
với hành trình nhỏ để lượng hòa khí vào trong xylanh ít, khi yêu cầu tốc độ động cơ
cao thì xupap mở với hành trình lớn để nạp lượng hòa khí nhiều hơn. Các động cơ
BMW hiện đại trang bị cả Double VANOS và VALVETRONIC.
Cơ cấu nạp nhiên liệu chủ động VVA (Variable Valve Actuation) của Fiat rất
giống với hệ thống Valvetronic của BMW. VVA điều phối hoạt động của các xupap
nạp và giúp động cơ vận hành không cần sử dụng bướm ga. Nghiên cứu của Fiat khác
hệ thống Valvetronic của BMW ở chỗ độ nâng xupap được thay đổi bằng thủy lực chứ
không phải bằng điện.
Alfa Romeo - CVVT (Double Continuous Variable Valve Timing) hệ thống
biến thiên liên tục thời điểm mở xupap sử dụng trên cả trục cam nạp và cam xả.
Chrysler - Dual VVT (Dual Variable Valve Timing).
Daihatsu - DVVT (Dynamic Variable Valve Timing).
Ford -VVT (Variable Valve Timing.)
General Motors - VVT (Variable Valve Timing) và DCVCP (Double
Continuous Variable Cam Phasing)
Kia - CVVT (Continuous Variable Valve Timing)
Hyundai – CVVT (Continuous Variable Valve Timing)
Mazda - S-VT
MG Rover - VVC (Variable Valve Control)

Nissan - CVTCS (Continuous Variable Valve Timing Control System). N-VCT
(Varies the rotation of the cam(s) only, does not alter lift or duration of the valves).
VVL (Varies timing, duration, and lift of the intake and exhaust valves) sử dụng hai
vấu cam khác nhau.
Porsche - VarioCam Plus
Volvo - CVVT (Continuous Variable Valve Timing)
Wolkswagen Group - tương tự VarioCam

GVHD : Th.S Lý Văn Trung

24