CẤU TẠO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Khoa Cơ khí Động lực Trờng Đại học SPKT Hng Yên
Nội dung
Chơng 1: Động lực học của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền.
(LT : 09 tiết - KT : 0)
1.1. Động học của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền giao tâm.
1.2. Động học của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền lệch tâm.
1.3. Động lực học của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền.
1.3.1. Khối lợng của các chi tiết chuyển động.
1.3.2. Lực và mômen tác dụng lên cơ cấu trục khuỷu thanh truyền.
1.3.3. Hệ lực và mômen tác dụng lên trục khuỷu của động cơ một hàng xylanh.
Chơng 2: Cân bằng động cơ đốt trong.
(LT : 05 tiết - KT : 01)
2.1. Giới thiệu chung.
2.2. Cân bằng động cơ 1 xylanh.
2.3. Cân bằng động cơ 2 xylanh.
2.4. Cân bằng động cơ 4 xylanh.
2.5. Cân bằng động cơ 6 xylanh.
Chơng 3: Thân máy và nắp xylanh.
(LT : 05 tiêt - KT : 0)
3.1. Nắp xylanh
3.2. Thân máy.
3.3. Xylanh và lót xylanh.
3.4. Cácte.
Chơng 4: Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền
(LT : 09 tiết - KT : 01)
4.1. Nhóm piston.
4.2. Nhóm thanh truyền.
4.3. Bạc thanh truyền.
4.4. Bulông thanh truyền.
4.5.Trục khuỷu- Bánh đà.
Chơng 5: Cơ cấu phân phối khí.

(LT : 05 tiết - KT : 0)
5.1. Nhiệm vụ, phân loại và yêu cầu.
5.2. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc cơ cấu phân phối khí

1


Khoa Cơ khí Động lực Trờng Đại học SPKT Hng Yên
5.3. Cấu tạo các chi tiết của cơ cấu phân phối khí.
5.4. Điều chỉnh góc độ phối khí của động cơ cao tốc.
Chơng 6: Hệ thống bôi trơn.
(LT : 04 tiết - KT : 0)
6.1. Công dụng, phân loại và yêu cầu.
6.2. Các dạng bôi trơn.
6.3. Các phơng án bôi trơn - u, nhợc điểm.
6.4. Kết cấu các bộ phận trong HTBT.
6.5. Các bộ phận kiểm tra và theo dõi hệ thống.
6.6. Thông gió hộp trục khuỷu.
Chơng 7: Hệ thống làm mát.
(LT : 05 tiết - KT : 01)
7.1. Nhiệm vụ, phân loại và yêu cầu.
7.2. Các phơng pháp làm mát, u, nhợc điểm.
7.3. Hệ thống làm mát bằng nớc.
7.4. So sánh hệ thống làm mát bằng không khí và hệ thống làm mát bằng nớc
7.5. Kết cấu các chi tiết trong hệ thống làm mát.
Chơng 8: Hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ xăng.
(LT : 14 tiết - KT : 01)
8.1. Nhiệm vụ, phân loại và yêu cầu.
8.2. Hệ thống cung cấp nhiên liệu dùng chế hoà khí.
8.3. Hệ thống cung cấp nhiên liệu phun xăng.

Chơng 9: Hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ Diesel.
(LT : 14 tiết - KT : 01)
9.1. Nhiệm vụ, phân loại và yêu cầu.
9.2. Hệ thống cung cấp nhiên liệu dùng bơm cao áp dãy.
9.3. Hệ thống cung cấp nhiên liệu dùng bơm phân phối.

2


Khoa Cơ khí Động lực Trờng Đại học SPKT Hng Yên
Chơng V.
Cơ cấu phân phối khí.

5.1. Công dụng, phân loại và yêu cầu.
5.1.1. Công dụng.
Cơ cấu phân phối khí dùng thực hiện quá trình trao đổi khí, thải khí đã cháy (khí
thải) ra khỏi xylanh và nạp hỗn hợp khí (động cơ xăng) hoặc không khí sạch (động cơ
diesel) vào xylanh để động cơ làm việc liên tục.

5.1.2. Phân loại.
* Phân loại cơ cấu phân phối khí căn cứ vào cách thức đóng mở cửa nạp và cửa xả:
- Cơ cấu phân phối khí dùng xupáp (cơ cấu phân phối khí dùng xupáp treo và xupáp đặt).
- Cơ cấu phân phối khí dùng van trợt.
- Cơ cấu phân phối khí dùng piston đóng cửa nạp và cửa xả (động cơ hai kỳ).

5.1.3. Yêu cầu.
- Đảm bảo chất lợng của quá trình trao đổi khí (thải sạch sản vật cháy, nạp đầy hỗn
hợp đốt).
- Đóng mở đúng thời điểm qui định.
- Đảm bảo đóng kín buồng cháy của động cơ trong các kỳ nén nổ và không cho khí

thải quay lại buồng đốt.
- Độ mòn của chi tiết ít nhất và tiếng kêu nhỏ nhất.
- Dễ điều chỉnh và sửa chữa.

5.2. Bố trí xupáp và dẫn động cơ cấu phân phối khí.
5.2.1. Số xupáp.
Thông thờng mỗi xylanh có 1 xupáp thải và 1 xupáp nạp. Đờng kính nấm xupáp nạp thờng lớn hơn đờng kính nấm xupáp thải để u tiên nạp đầy cho động cơ.
Để tăng tiết diện lu thông qua các dòng khí nạp và khí thải, nhất là đối với động cơ
có đờng kính xylanh lớn, số xupáp có thể là 3 (2 xupáp nạp và 1 xupáp thải) hoặc 4 xupáp
(2 nạp và 2 thải). Hiện nay ngay cả đờng kính xylanh nhỏ nh ôtô du lịch ngời ta cũng thiết
kế 4 xupáp cho 1 xylanh. Ngoài việc tăng tiết diện lu thông cho dòng khí lu động, ngời ta

3


Khoa Cơ khí Động lực Trờng Đại học SPKT Hng Yên
còn tạo ra chuyển động xoáy do đóng mở các xupáp cùng tên trong xylanh lệch nhau, do
đó hoàn thiện quá trình hình thành khí hỗn hợp và cháy để cải thiện tính năng làm việc
của động cơ. Hiện nay một số động cơ dùng 5 xupáp cho 1 xylanh, trong đó có 3 xupáp
nạp và 2 xupáp thải.

5.2.2. Bố trí xupáp.

a. Xupáp nạp và xupáp thải nằm
cùng một phía
b. Xupáp nạp và xupáp thải nằm
về hai phía

c. Xupáp bố trí song song với xylanh
d. Xupáp bố trí nghiêng so với xylanh

Hình 5.1 : Bố trí xupáp
Để tận dụng khí thải sấy nóng khí nạp mới, để tăng cờng quá trình bay hơi và hoà
trộn nhiên liệu với không khí trên đờng ống nạp và thải nằm cùng một phía của động cơ
(hình 5.1a).
Nhng cũng có trờng hợp, nhằm hạn chế ảnh hởng tăng nhiệt độ của khí nạp mới làm
giảm hệ số nạp và đờng thải đợc bố trí về hai phía của động cơ (hình 5.1b ). Hầu hết động
cơ Diesel đợc bố trí theo phơng án này. Xupáp thờng đợc bố trí song song với xylanh
(hình 5.1c). Nhng có một số trờng hợp phụ thuộc vào kết cấu buồng cháy, xupáp đợc bố
trí nghiêng đi để cho buồng cháy đợc gọn ( hình 5.1d).

5.2.3. Dẫn động xupáp.
Xupáp đợc dẫn động gián tiếp thông qua các chi tiết trung gian nh: con đội, đũa đẩy,
đòn gánh, cò mổ...(hình 5.2). Ngoài ra để giảm bớt các chi tiết dẫn động trung gian,
xupáp đợc dẫn động trực tiếp từ cam (hình 5.2a) hoặc qua một chi tiết trung gian là đòn
bẩy để khuếch đại hành trình xupáp (hình 5.2 b,c,d,e). Tuy vậy phải giải quyết vấn đề trục
cam với khoảng cách xa.

4


Khoa Cơ khí Động lực Trờng Đại học SPKT Hng Yên

Hình 5.2: Dẫn động xupáp
a. Dẫn động xupáp kiểu trực tiếp.
b. Dẫn động xupáp kiểu gián tiếp thông qua cơ cấu trung gian (cò mổ).
c. Dẫn động xupáp kiểu gián tiếp thông qua cơ cấu trung gian
(con đội, đũa đẩy, cò mổ).
d. Dẫn động xupáp kiểu gián tiếp thông qua cơ cấu trung gian (con đội).
e. Dẫn động xupáp kiểu gián tiếp thông qua cơ cấu trung gian (con đội cò mổ).

5.2.4. Dẫn động trục cam.
Có nhiều phơng pháp dẫn động trục cam. Tuỳ thuộc vào từng loại động cơ có thiết kế vị
trí trục cam khác nhau mà ngời ta chọn cách dẫn động trục cam thích hợp. Để thực hiện đúng
các pha phối khí thì các thời điểm mở và đóng của xupáp phải tơng đơng với vị trí nhất định
của piston. Để đảm bảo không bị trợt tơng đối trong truyền động từ trục khuỷu đến trục cam
phải đảm bảo tỉ số truyền 2:1 (động cơ 4 kỳ), 1:1 (động cơ 2 kỳ). Đáp ứng nhu cầu đó thì có
các cách dẫn động nh sau:
* Dẫn động trực tiếp giữa bánh răng cơ và bánh răng cam.
* Dẫn động gián tiếp thông qua các bánh răng trung gian.
* Dẫn động bằng xích.
* Dẫn động bằng đai (thờng sử dụng bằng đai răng ).
* Dẫn động bằng trục vít.
1. Dẫn động trực tiếp.

5


Khoa Cơ khí Động lực Trờng Đại học SPKT Hng Yên
Kết cấu bộ truyền

1. Bánh răng cam
2. Bánh răng cơ;
3. Mặt bích
4. Dấu của bánh răng cam
và bánh răng cơ

Hình 5.3: Dẫn động bằng bánh răng

Dẫn động bằng bánh răng dùng cho động cơ có trục cam bố trí trong thân máy,

hoặc hộp trục khuỷu. Thờng đợc dẫn động bằng bánh răng nên khoảng cách giữa trục
cam và trục khuỷu nhỏ.
Bánh răng cam đợc lắp trên đầu trục cam bằng then hoặc vít cố định. Bánh răng cơ
đợc lắp với trục khuỷu bằng mối ghép then hoa. Trên bánh răng trục cam có số răng gấp
hai lần số răng trên bánh răng cơ (động cơ 4 kỳ) và bằng nhau (động cơ 2 kỳ). Để các
bánh răng đợc ăn khớp êm dịu thì trên động cơ thờng dùng bánh răng trụ răng nghiêng.
Các bánh răng của trục cam đợc chế tạo bằng vật liệu tổng hợp để tránh mòn cho bánh
răng cơ và bánh răng cam ăn khớp đợc êm dịu. Để thuận tiện cho việc điều chỉnh sửa
chữa cơ cấu phân phối khí, trên bánh răng trục cam và bánh răng trục cơ đợc khắc dấu đặt
cam cho máy số 1.
Nguyên lý làm việc
Khi động cơ làm việc trục khuỷu quay làm bánh răng trục khuỷu quay thông qua
cặp bánh răng dẫn động làm trục cam quay ngợc chiều và khi trục cam quay đợc một
vòng thì trục khuỷu quay đợc hai vòng.
+. Dẫn động bằng bánh răng trung gian
Kết cấu bộ truyền
1. Bánh răng trục cơ
2. Bánh răng trung gian
3. Bánh răng trục cam

6


Khoa Cơ khí Động lực Trờng Đại học SPKT Hng Yên

Hình 5.4. Dẫn động bằng bánh răng trung gian
Kiểu dẫn động bằng bánh răng trung gian có thể áp dụng cho trục khuỷu và trục
cam có khoảng cách lớn. Nhng kiểu dẫn động này làm cho thân máy có kết cấu phức tạp
(vì phải lắp nhiều trục trung gian để lắp bánh răng trung gian). Do đó cơ cấu dẫn động trở
lên cồng kềnh khi làm việc có tiếng ồn.

2. Dẫn động bằng xích.
Phơng án này dùng khá phổ biến trong những động cơ có trục cam nằm trên nắp
máy. Phơng 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.
Kết cấu bộ truyền
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 xupáp
9. Xupáp
10. Bạc của bulông điều chỉnh
11. Bulông điều chỉnh
12. Cơ cấu đỡ xích
13. Bánh răng dẫn động bơm dầu
Hình 5.5. Cơ cấu dẫn động bằng xích
Dẫn động bằng xích có u điểm gọn nhẹ có thể dẫn động trục cam ở khoản cách lớn.
Tuy vậy phơng án này có nhợc 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 thờng bị rão, gây nên tiếng
ồn và làm sai lệch phân phối khí. Để giữ cho xích luôn đợc căng ngời ta dùng cơ cấu căng
xích có lò xo hoặc vít điều chỉnh độ căng của xích. Để chống rung cho xích ng ời ta dùng
tấm dẫn hớng cho xích.
Nguyên lý dẫn động
Khi động cơ làm việc trục khuỷu quay, bánh xích đợc gắn trên trục khuỷu quay
thông qua dải xích dẫn động làm bánh răng xích trục cam quay. Chiều quay của trục cam

7

Khoa Cơ khí Động lực Trờng Đại học SPKT Hng Yên
cùng chiều với chiều quay của trục khuỷu. Khi trục cam quay đợc một vòng thì trục
khuỷu quay đợc hai vòng.

3. Dẫn động bằng đai.
+. Kết cấu bộ truyền
Bánh răng cam đợc lắp với trục cam bằng các đai ốc hãm, số răng trên bánh răng
cam bằng hai lần số răng trên bánh răng cơ.
1. Bánh răng trục khuỷu
2. Bánh căng đai;
3. Bánh răng trục cam
4. Đai răng
5. Trục cam
6. Xupáp nạp
7. Xupáp hút
8. Trục cam xả

Hình 5.6: Dẫn động bằng đai
Bánh răng trục khuỷu đợc lắp trên trục khuỷu bằng mối ghép then hoa có đai ốc hãm.
Dây đai dẹt có răng ngang ăn khớp với các răng của bánh răng trục cam và bánh răng trục
khuỷu. ở một số động cơ V6 V8, có hai hoặc 4 trục cam. Trong hệ thống truyền động
đai răng có bộ căng đai có thể điều chỉnh tự động độ căng của đai sao cho dây đai không
trùng, tránh hiện tợng trợt đai làm sai pha phối khí.
+ Nguyên lý dẫn động:
Khi động cơ làm việc, trục khuỷu quay thông qua bánh răng trục khuỷu và dải đai
răng, bánh răng trục cam quay làm trục quay. Chiều của các trục cam (động cơ nhiều trục
cam) cùng chiều quay của trục khuỷu. Khi trục cam quay đợc một vòng thì trục khuỷu
quay đợc hai vòng (động cơ 4 kỳ) và một vòng (động cơ 2 kỳ).

- Ưu nhợc điểm:
Sử dụng bộ truyền bằng đai có u điểm là chạy êm không gây tiếng ồn. Điều chỉnh
độ căng đai dễ dàng, kết cấu đơn giản hơn bộ truyền xích vì không cần thanh dẫn hớng,

8


Khoa Cơ khí Động lực Trờng Đại học SPKT Hng Yên
bộ giảm chấn, bộ truyền xích và bộ điều chỉnh căng đai đơn giản hơn bộ điều chỉnh độ
căng của xích. Dây có tính chất mền dẻo, cơ động cao vì vậy có thể dẫn động trực tiếp
cho nhiều trục cam, nhiều bộ phận cần dẫn động khác của động cơ nên giảm đợc khối lợng chi tiết. Nhng giá thành cao phải thay mới thờng xuyên và điều chỉnh phức tạp.

5.3. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc cơ cấu phân phối khí.
5.3.1 Cơ cấu phân phối khí xupáp đặt.
1. Sơ đồ nguyên lý.
1. Đòn gánh
2. Lò xo
3. ống dẫn hớng
4. Xupáp
5. Nắp xylanh
6. Xylanh
7. Đũa đẩy
8. Đai ốc điều chỉnh
9. Con đội
10. Cam.

Hình 5.7. Sơ đồ cấu tạo cơ cấu phân
phối khí dùng xupáp đặt

1. Trục cam

2. Con đội
3. Lò xo xupáp
4. Xupáp
5. Nắp máy
6. Thân máy.

9


Khoa Cơ khí Động lực Trờng Đại học SPKT Hng Yên

Hình 5.8. Sơ đồ nguyên lý cơ cấu
phân phối khí dùng xupáp đặt
2. Nguyên lý làm việc.
Bánh răng trục khuỷu đợc ăn khớp với bánh răng trục cam. Khi động cơ làm việc trục
khuỷu quay thông qua cặp bánh răng ăn khớp làm trục cam quay theo. Lúc cam cha tác dụng
vào con đội thì do lực đàn hồi của lò xo đẩy xupáp đi xuống đóng kín cửa nạp và cửa xả. Lúc
này động cơ đang ở quá trình nén hoặc cháy giãn nở. Khi các cam bắt đầu tác động
vào đuôi con đội đẩy con đội đi lên, mở cửa nạp hoặc cửa xả thông với xylanh để thực hiện
hút hỗn hợp nhiên liệu hoặc không khí sạch vào xylanh hay thải sản vật cháy ra khỏi xylanh.

5.3.2. Cơ cấu phân phối khí xupáp treo.

1.Bánh răng cơ
2. Cam xả
3. Cam nạp
4.Gối đỡ
5.Con đội
6. Xupáp
7. ống dẫn hớng

8. Đũa đẩy
9. Trục đòn gánh
10. Cò mổ
11. Lò xo xupáp
12. Vít điều chỉnh
13. Bạc gối đỡ.

Hình5.9.Sơ đồ cấu tạo cơ cấu phân phối khí dùng xupáp treo.

10


Khoa Cơ khí Động lực Trờng Đại học SPKT Hng Yên
* Sơ đồ nguyên lý.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.

Trục cam
Con đội
Lò xo xupáp
Xupáp
Nắp máy

Thân máy
Đũa đẩy
Đòn gánh
Cò mổ
Hình 5.10. Sơ đồ nguyên lý cơ cấu phân phối khí dùng xupáp treo

Nguyên lý làm việc.
Trờng hợp trục cam đặt trên thân máy nó nhận truyền động trực tiếp từ trục khuỷu qua
cặp bánh răng cơ (bánh răng trục khuỷu) ở đầu trục khuỷu qua bánh răng trục cam. Do cặp
bánh răng này có tỷ số truyền là i =1/2 nên tốc độ quay của trục cam chỉ bằng 1/2 so với trục
khuỷu. Khi cam phối khí cha tác động vào con đội thì nhờ vào lực đàn hồi của lò xo giãn ra
kéo xupáp đóng kín cửa nạp, cửa thải trong động cơ. Lúc này các chi tiết : Con đội, đũa đẩy,
giàn đòn gánh, cò mổ ở vị trí không làm việc. Khi cam phối khí bắt đầu tác động con đội làm
cho con đội chuyển động đi lên đẩy đũa đẩy đi lên tác động vào đòn gánh làm nó quay quanh
trục đòn gánh. Đầu cò mổ tác động vào đuôi xupáp thắng đợc sức căng của lò xo làm cho
xupáp mở cửa nạp hoặc cửa thải. Để cho động cơ thực hiện quá trình nạp hoặc thải khí lò xo
xupáp bị nén lại.
Trờng hợp trục cam đặt tại nắp máy thì dẫn động cho trục cam thông qua xích, đai
răng, hoặc hệ thống bánh răng ăn khớp. ở trờng hợp cam có thể tác động trực tiếp vào
đuôi xupáp hoặc tác động vào cò mổ của giàn đòn gánh để thực hiện mở xupáp.

5.4. So sánh u nhợc điểm của cơ cấu phân phối khí dùng xupáp treo và xupáp
đặt.
Khi dùng cơ cấu phân phối khí xupáp đặt, chiều cao của động cơ giảm xuống kết
cấu nắp xylanh đơn giản, dẫn động xupáp càng dễ dàng hơn. Nhng do buồng cháy không
gọn, diện tích truyền nhiệt lớn nên tính kinh tế của động cơ kém: Tiêu hao nhiều nhiên
liệu ở tốc độ cao, hệ số nạp giảm làm giảm mức độ cờng hoá của động cơ. Đồng thời khó
tăng tỷ số nén nhất là khi tỷ số nén của động cơ lớn hơn 7, 5 rất khó bố trí buồng cháy. Vì

11

Khoa Cơ khí Động lực Trờng Đại học SPKT Hng Yên
vậy cơ cấu phân phối khí xupáp đặt thờng chỉ dùng cho một số động cơ xăng có tỷ số nén
thấp, số vòng quay nhỏ.
Khi dùng cơ cấu phân phối khí xupáp treo, buồng cháy rất gọn diện tích mặt truyền
nhiệt nhỏ vì vậy giảm đợc tổn thất nhiệt.
Đối với động cơ xăng khi dùng cơ cấu phân phối khí xupáp treo, do buồng cháy nhỏ gọn,
khó kích nổ nên có thể tăng tỷ số nén thêm 0,5 ữ 2 so với khi dùng cơ cấu phân phối khí
xupáp đặt.
Cơ cấu phân phối khí xupáp treo còn làm cho dạng đờng nạp thải thanh thoát hơn
khiến sức cản khí của động cơ giảm nhỏ đồng thời do có thể bố trí xupáp hợp lý hơn nên
có thể tăng đợc tiết diện lu thông của dòng khí. Những điều đó khiến cho hệ số nạp tăng
lên 5 ữ 7%.
Do các u điểm trên cơ cấu phân phối khí xupáp treo đợc dùng rộng rãi trong các
động cơ cờng hoá (động cơ có công suất lớn và số vòng quay lớn). Động cơ diesel chỉ
dùng phơng án bố trí xupáp treo.
Tuy vậy cơ cấu phân phối khí xupáp treo tồn tại một số khuyết điểm. Khuyết điểm cơ
bản là dẫn động xupáp phức tạp và làm tăng chiều cao của động cơ. Ngoài ra bố trí xupáp
treo làm cho kết cấu của nắp máy trở nên hết sức phức tạp và rất khó đúc.

5.5. VVT-i (Hệ thống điều khiển phối khí).
Hệ thống VVT-i thay đổi góc phối khí của trục cam nạp tối u theo các chế độ hoạt
động của động cơ nhằm nâng cao mômen xoắn, tính kinh tế nhiên liệu và giảm khí xả ô
nhiễm.

Hình 5.11. Sơ đồ cấu tạo VVTi

12

Khoa Cơ khí Động lực Trờng Đại học SPKT Hng Yên
5.5.1. Hoạt động của VVT-i.
ECU động cơ tính toán thời điểm phối khí tối u dựa trên tín hiệu từ các cảm biến,
sau đó so sánh với thời điểm phối khí thực tế (từ tín hiệu cảm biến VVT) và điều khiển
van dầu để đạt đến vị trí cần chỉnh.

Hình 5.12. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của VVT- i.

5.5.2. Bộ điều khiển VVT-i.
Bộ điều khiển VVT-i lắp ở đầu trục cam nạp bao gồm bánh răng trong (ăn khớp
với trục cam nạp), bánh răng ngoài (ăn khớp với puly cam), piston nối bánh răng ngoài và
bánh răng trong qua các then hoa xiên.

Hình 5.13. Kết cấu bộ điều khiển VVT - I.

5.5.3. Van dầu điều khiển phân phối khí.

13


Khoa Cơ khí Động lực Trờng Đại học SPKT Hng Yên
Tuỳ theo tín hiệu từ ECU van dầu điều khiển dòng chảy dầu thuỷ lực đến bộ điều
khiển VVT-i đến phía mở sớm hay mở muộn.

Hình 5.14. Kết cấu van dầu điều khiển phân phối khí.

5.5.4. VVT-I loại dùng đĩa quay.

Hình 5.15. Sơ đồ cấu tạo VVT-I loại dùng đĩa quay.

* Cấu tạo

14


Khoa Cơ khí Động lực Trờng Đại học SPKT Hng Yên

Hình 5.16. Cấu tạo bộ điều khiển VVT - I loại dùng đĩa quoay
* Hoạt động của bộ điều khiển (mở sớm)
Khi ECU động cơ điều khiển van dầu đến vị trí nh hình vẽ, dầu áp lực đợc dẫn vào
buồng phía mở sớm, mômen xoắn do then hoa xoắn tạo ra làm cho trục cam xoay
theo hớng mở sớm.

Hình 5.17. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển (mở sớm).
* Hoạt động của bộ điều khiển (mở muộn).
Khi ECU động cơ điều khiển van dầu đến vị trí nh hình vẽ, dầu áp lực đợc dẫn vào
buồng phía mở muộn, mômen xoắn do then hoa xoắn tạo ra làm cho trục cam xoay theo
hớng mở muộn.

15


Khoa Cơ khí Động lực Trờng Đại học SPKT Hng Yên

Hình 5.18. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển (mở muộn).

* Hoạt động của bộ điều khiển (giữ nguyên vị trí).
Khi ECU động cơ điều khiển van dầu đến vị trí trung gian, dầu đợc giữ nguyên
trong cả hai buồng và trục cam đợc giữ nguyên tại vị trí cần điều chỉnh.

Hình 5.19. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển (Giữ nguyên vị trí).
* Điều khiển của ECU

Dựa trên các tín hiệu tốc độ động cơ, lợng khí nạp, cảm biến vị trí bớm ga và
nhiệt độ nớc làm mát, ECU điều khiển thời điểm mở xupáp theo chế độ khác nhau.
16


Khoa Cơ khí Động lực Trờng Đại học SPKT Hng Yên

Hình 5.20. Biểu đồ đặc tính điều khiển của ECU.

5.6. Cấu tạo các chi tiết của cơ cấu phân phối khí.
5.6.1. Xupáp.
1. Công dụng.
Xupáp làm nhiệm vụ đóng mở đờng nạp và đờng thải để thực hiện quá trình trao đổi
khí.
2. Điều kiện làm việc.
Trong quá trình làm việc mặt nấm xupáp chịu phụ tải động và chịu phụ tải nhiệt lớn,
xupáp bị ăn mòn do các tạp chất hoá học gây nên... Lực khí thể tác dụng lên mặt nấm
xupáp có thể lên đến 1000 ữ 20000N, trong động cơ cờng hoá và tăng áp lực khí có thể
tăng đến 30000N. Mặt nấm xupáp luôn luôn va đập mạnh với đế xupáp nên rất dễ bị biến
dạng. Do xupáp trực tiếp tiếp xúc với khí cháy còn chịu đựng nhiệt độ cao, nhiệt độ của
xupáp thải trong động cơ thờng đạt 1073 ữ 1123o K (800 ữ 850oC). Trong động cơ diesel
đạt 773 ữ 873o K (500 ữ 600oC) nhất là trong thời kỳ thải khí, nấm và thân xupáp phải tiếp
xúc với nhiệt độ rất cao:
- Đối với động cơ xăng nhiệt độ dòng khí thải vào khoảng 1373 ữ 1473o K (1100 ữ
1200oC).

17


Khoa Cơ khí Động lực Trờng Đại học SPKT Hng Yên
- Đối với động cơ diesel nhiệt độ dòng khí thải khoảng 973 ữ 1173o K (700 ữ 900oC).
Hơn nữa tốc độ dòng khí thải rất lớn (khi mới bắt đầu thải tốc độ dòng khí thải từ 400 ữ 500
m/s) nên khiến cho xupáp nhất là xupáp thải dễ bị quá nóng và bị dòng khí ăn mòn.
3. Vật liệu chế tạo.
Do điều kiện làm việc hết sức khắc nghiệt của xupáp khi thiết kế chế tạo xupáp phải
đảm bảo các yêu cầu sau:
- Chịu nhiệt độ tốt.
- Có sức bền cơ học cao.
- Chống ăn mòn hoá học, chống xâm nhập của dòng khí thải.
Vật liệu chế tạo xupáp thờng dùng các loại thép hợp kim. Trong động cơ cờng hoá vật
liệu dùng làm xupáp thải thờng là thép chịu nhiệt.
Để tiết kiệm thép chịu nhiệt ngời ta thờng chỉ dùng thép hợp kim chịu nhiệt để chế
tạo phần nấm xupáp sau đó hàn phần nấm với thân xupáp làm bằng thép 40X- 40XH.
Để nâng cao tính chống mòn, chống gỉ của mặt nấm xupáp thải ngời ta thờng mạ
lên bề mặt làm việc của nấm xupáp một lớp hợp kim cứng (hợp kim cô ban) dày khoảng
1,5 ữ 2,5 mm.
Xupáp nạp do đợc dòng khí nạp làm mát nên nhiệt độ thờng thấp hơn nhiệt độ của
xupáp thải. Vì vậy vật liệu chế tạo xupáp nạp thờng dùng các loại thép hợp kim Crôm,
Măng gan 37XC, 40XH, 50XH.
4. Kết cấu
Theo kết cấu ngời ta chia xupáp ra thành 3 phần là: nấm, thân và đuôi xupáp (hình 5.21).

Hình 5.21. Kết cấu xupáp
Nấm xupáp

a

b

c

18
d


Khoa Cơ khí Động lực Trờng Đại học SPKT Hng Yên

a. Nấm bằng
b. Nấm lõm

c. Nấm lồi
d. Nấm chứa nátri (Na).
Hình 5.22. Kết cấu nấm xupáp

Mặt làm việc quan trọng của phần nấm xupáp là mặt côn có góc từ 15o ữ 45o , góc
càng nhỏ tiết diện lu thông càng lớn tuy nhiên khi càng nhỏ, mặt nấm càng mỏng, độ
cứng vững của mặt nấm càng kém, do đó dễ bị cong vênh, tiếp xúc không kín khít với đế
xupáp. Đối với dòng lu động vào xylanh, khi nhỏ quá (ví dụ khi = 0 dòng lu động bị
gấp khúc).
Ngợc lại khi lớn, mặt nấm xupáp dày và bền hơn, dòng khí thải ra càng dễ hơn. Do đó
hầu hết xupáp thải có = 45o còn đối với xupáp nạp thông thờng 30 450.
Chiều rộng của mặt côn trên nấm xupáp thờng bằng ( 0,05 ữ 0,12) dn
Trong đó : dn là đờng kính nấm xupáp.
Chiều rộng b của mặt còn phụ thuộc vào độ cứng của vật liệu làm đế xupáp và nấm xupáp.
Nếu độ cứng của nấm xupáp lớn hơn độ cứng của đế xupáp thì chiều rộng của nấm xupáp
phải lớn hơn đế và ngợc lại.

Nh vậy mới bảo đảm xupáp tiếp xúc kín với đế trong quá trình làm việc và đế xupáp
ít bị hao mòn nên sửa chữa cũng đợc dễ dàng hơn.
Kết cấu xupáp chẳng những ảnh hởng quyết định đến giá thành chế tạo, mà còn ảnh hởng
đến độ bền trọng lợng và tình trạng lu động của dòng khí qua họng, đế xupáp nữa. Kết
cấu của nấm xupáp thờng có 3 loại chính :
- Nấm bằng.
- Nấm lõm.
- Nấm lồi.
* Nấm bằng
Kết cấu của loại nấm bằng là chế tạo đơn giản, có thể dùng cho xupáp nạp. Vì vậy
đa số các động cơ dùng loại xupáp này (hình 5.22a).
* Nấm lõm
Xupáp có dạng nấm lõm (hình 5.22b) có đặc điểm là bán kính góc lợn giữa phần
thải xupáp và phần nấm rất lớn. Kết cấu này có thể cải thiện tình trạng l u thông của dòng
khí nạp vào xylanh, đồng thời có thể tăng đợc độ cứng vững cho phần nấm xupáp. Để
giảm trọng lợng của xupáp khi tăng bán kính góc lợn, mặt dới của nấm xupáp làm lõm
sâu vào tạo thành hình loa kèn.

19


Khoa Cơ khí Động lực Trờng Đại học SPKT Hng Yên
Nhợc điểm của loại này là khi chế tạo, mặt chịu nhiệt lớn, xupáp dễ bị nóng. Loại
xupáp có dạng nấm lõm thờng dùng cho xupáp nạp trong động cơ máy bay.
* Nấm lồi
Xupáp có dạng nấm lồi (hình 5.22c) loại này cải thiện đợc tình trạng lu động của
dòng khí thải (vì mặt nấm lồi, nên hạn chế khu vực tạo thành xoáy lốc khi thải khí). Chính
vì vậy xupáp thải của động cơ cờng hoá sử loại dạng nấm lồi.
Để giảm trọng lợng nấm ngời ta khoét lõm phía trên phần nấm.
Nhợc điểm của loại xupáp này tơng tự dạng nấm lõm : khó chế tạo, bề mặt chịu nhiệt lớn.

Do xupáp truyền trong quá trình làm việc phải chịu đựng nhiệt độ rất cao, nhất là
trong động cơ cờng hoá nhiệt độ cao. Vấn đề tản nhiệt gặp rất nhiều khó khăn nên trong
một số loại động cơ cờng hoá ngời ta thờng làm đế xupáp thải rỗng (hình 5.22d). Phần thể
tích rỗng chứa Natri (Na), lợng Na khoảng 50 ữ 60% thể tích lỗ rỗng. Do Na nóng chảy ở
nhiệt độ 970C. Khi động cơ làm việc xupáp nhận truyền nhiệt từ nấm tới thân của xupáp
làm cho Na nóng chảy thành thể lỏng, nó tạo điều kiện truyền nhiệt từ nấm tới thân của
xupáp đợc nhanh chóng và tốt hơn, khiến cho xupáp thải của các loại động cơ cờng hoá
này không bị cháy.



Thân xupáp

a
a. Thân xupáp;

b
b. Thân xupáp có chứa Na.

Hình 5.23. Kết cấu thân xupáp
Thân xupáp có nhiệm vụ dẫn hớng, tản nhiệt cho nấm xupáp và chịu lực nghiêng khi
xupáp đóng mở.
Để hạ thấp nhiệt độ của xupáp, ngời ta có xu hớng tăng đờng kính của thân xupáp và kéo
dài ống dẫn hớng đến gần mặt nấm. Nhng do phải đảm bảo tiết diện lu thông của dòng
khí và đảm bảo cho xupáp đợc gọn nhẹ nên thân xupáp thờng có đờng kính d = (0,15 ữ
0,25)dn
Trong đó: d là đờng kính thân xupáp.
dn là đờng kính của nấm xupáp.

20

Khoa Cơ khí Động lực Trờng Đại học SPKT Hng Yên
Để tránh hiện tợng xupáp mắc kẹt trong ống dẫn hớng khi bị đốt nóng đờng kính của
thân xupáp ở phần nối tiếp với nấm xupáp thờng làm nhỏ đi một ít hoặc khoét rộng ống
dẫn hớng.
Chiều dài của thân xupáp tuỳ thuộc vào cách bố trí xupáp, nó thờng thay đổi trong
phạm vi khá lớn.
lt =( 2,5 ữ 3,5 )dn
Trong đó :
lt là chiều dài của thân xupáp
dn là đờng kính của nấm xupáp
Thân xupáp có thể làm liền (khi dùng chung một loại vật liệu), hoặc có thể làm rời hoặc
đúc lại.
Để truyền nhiệt tốt cho xupáp, thân xupáp có thể làm rỗng và chứa Na nh phần trên
đã trình bày (hình 5.22b).


Đuôi xupáp.

Đuôi xupáp phải có kết cấu để lắp đĩa lò xo xupáp. Thông thờng đuôi xupáp có mặt
côn (hình 5.24a) hoặc rãnh vòng (hình 5.24b) để lắp móng hãm. Đuôi xupáp có kết cấu
đơn giản là đuôi có lỗ để lắp chốt (hình 5.24c) nhng tạo tập trung ứng suất.

a

b

c

d

a. Đuôi xupáp có mặt hình côn
b. Đuôi xupáp có rãnh vòng

c. Đuôi xupáp có lỗ để lắp chốt
d. Đuôi xupáp chế tạo bằng thép ostenit
và đợc tôi cứng.
Hình 5.24. Kết cấu đuôi xupáp.
Để bảo đảm an toàn, chốt phải đợc chế tạo bằng vật liệu có sức bền cao.
Để tăng khả năng chịu mòn, bề mặt đuôi xupáp ở một số động cơ đợc chế tạo bằng
thép ostenit và đợc tôi cứng.
Đối với xupáp đặt đợc cam dẫn động trực tiếp không qua các chi tiết trung gian nh :
đòn gánh, cò mổ,... đuôi xupáp có ren để lắp đĩa lò xo xupáp (hình 5.24d). Khe hở giữa
đuôi xupáp và cam đợc điều chỉnh bằng cách xoay đĩa xupáp phía trên. Sau khi điều chỉnh
do kết cấu răng hãm nên đĩa phía trên đợc ghép thành một khối với đĩa phía dới.
Đối với cơ cấu phân phối khí dẫn động gián tiếp, để tránh hiện tợng các chi tiết giãn
nở làm kênh xupáp nên phải có khe hở nhiệt. Khe hở do nhà chế tạo qui định.
Để tăng tuổi thọ và đảm bao độ kín khít cho xupáp khi đóng, ở một số động cơ xupáp đợc
thiết kế sao cho có thể xoay quanh đờng tâm khi làm việc.

21


Khoa Cơ khí Động lực Trờng Đại học SPKT Hng Yên


Sơ đồ cấu tạo xupáp tự xoay

1. Lò xo xupáp

2. Thân xupáp

6. Vỏ bọc
7. Nắp xylanh

3. ống dẫn hớng xupáp
4. Lò xo đĩa

8. Đế
9. Lò xo

5. Bi trợt

10. Rãnh trợt.

Khi xupáp mở, lò xo xupáp bị nén lại. Lực
của lò xo xupáp thông qua vỏ bọc ép vành ngoài
của lò xo đĩa 4 xuống phía dới. Sau khi lò xo đĩa Hình 5.25. Kết cấu xupáp tự xoay
tỳ lên các viên bi 5, mặt đầu bên trong của lò xo
dần dần thoát khỏi mặt tỳ trên đế 8. Khi đó các viên bi sẽ trợt trên rãnh 10. Do ma sát
giữa các bề mặt tiếp xúc của bi 5 và lò xo đĩa 4 nên đĩa cùng với vỏ bọc 6, lò xo xupáp 1
và xupáp xoay đi một góc. Đồng thời các lò xo hồi vị 9 (có độ cứng rất nhỏ) bị nén lại.
Khi xupáp đóng dần lực ép của lò xo 1 giảm, lò xo đĩa dần dần đợc giải phóng trở về
trạng thái ban đầu. Đầu tiên, mặt đầu bên trong tỳ trở lại lên đế 8. Sau một thời gian làm
việc xupáp đợc xoay quanh tâm. Do đó thân xupáp sẽ lâu mòn và nấm xupáp tiếp xúc khít
với đế hơn, nên xupáp ít bị cong, mòn lệch.

5.6.2. Đế xupáp.
1. Công dụng.
Đế xupáp nằm trong khối xylanh (thân máy) hoặc nắp máy cùng với xupáp thực

hiện nhiệm vụ đóng mở cửa nạp, cửa xả.
2. Điều kiện làm việc.
Đế xupáp chịu va đập của nấm xupáp trong quá trình đóng mở cửa nạp , cửa xả.
Ngoài ra đế xupáp xả tiếp xúc với khí đốt nên chịu ở nhiệt độ cao và áp suất lớn.
3.Vật liệu chế tạo.
Đế xupáp thờng đợc chế tạo bằng thép hợp kim hoặc gang trắng và lắp có độ dôi vào
thân máy hặc nắp xylanh (hình 2.26).

22
Hình 5.26. Kết cấu đế xupáp.


Khoa Cơ khí Động lực Trờng Đại học SPKT Hng Yên

4. Kết cấu.
Đế xupáp đợc hãm trong thân máy hoặc nắp xylanh nhờ các rãnh vòng và kim loại
biến dạng khi ép (hình 5.26a) nhờ tính tự hãm của bề mặt côn (hình 5.26b) và kết cấu
khoá do nòng ống (hình 5.26c). Bề mặt tiếp xúc của bề mặt nấm xupáp thờng có 3 góc
khác nhau (hình 5.26d), để đế và nấm xupáp tiếp xúc tốt, thì góc của nấm xupáp phải
chọn bằng 45o.

5.6.3. ống dẫn hớng xupáp.
1. Công dụng.
ống dẫn hớng xupáp dùng để dẫn hớng cho thân xupáp chuyển động lên xuống và
tạo điều kiện bôi trơn cho thân xupáp.
2. Điều kiện làm việc.
ống dẫn hớng chịu mài mòn (do tiếp xúc với thân xupáp) và bị ăn mòn của các tạp
chất hóa học. Ngoài ra ống dẫn hớng của xupáp xả còn chịu nhiệt độ cao, áp suất lớn và
các tạp chất ăn mòn hóa học.
3. Vật liệu chế tạo.

Ngời ta thờng dùng gang hợp kim, gang dẻo nhiệt luyện để chế tạo kết cấu ống dẫn hớng xupáp cho động cơ thông thờng. Đối với động cơ cao tốc, vật liệu chế tạo đợc dùng là
đồng thanh hoặc kim loại đợc tẩm dầu nhằm tăng khả năng chịu nhiệt và khả năng thích ứng
với điều kiện bôi trơn khó khăn.
4. Kết cấu.
Về mặt kết cấu của ống dẫn hớng xupáp có kết cấu đơn giản hình trụ rỗng có vát
mặt đầu để lắp (hình 5.27a). ống dẫn hớng lắp với thân máy hoặc nắp xylanh có độ dôi.

23


Khoa Cơ khí Động lực Trờng Đại học SPKT Hng Yên
Đờng kính trong của ống dẫn hớng đợc gia công chính xác sau khi lắp ghép vào thân
máy hoặc nắp xylanh. Khe hở giữa thân xupáp và ống dẫn hớng ở xupáp thải lớn hơn
xupáp nạp do xupáp thải tiếp xúc trực tiếp với khí cháy.

a. ống dẫn hớng hình trụ có mặt vát đầu;
b. Bề mặt ngoài của ống dẫn hớng có độ côn;
c. Bề mặt ngoài của ống dẫn hớng có vai và cữ.

a

b

c

Hình 5.27: Kết cấu ống dẫn hớng xupáp
5. Vấn đề bôi trơn ống dẫn hớng xupáp.

a. Đuôi xu pápáp có mũ che bằng thép
b. Đuôi xupáp có mũ che bằng cao su

a

b

Hình 5.28 : Kết cấu ngăn dầu ở đuôi xupáp.
Phơng pháp bôi trơn bằng vung té dầu từ dàn đòn gánh là đơn giản nhất. Để bôi trơn ống
dẫn hớng xupáp. Trong trờng hợp an toàn nhất, ống dẫn hớng đợc bôi trơn cỡng bức bằng đờng
dầu có áp suất cao từ hệ thống bôi trơn. Tuy nhiên có trờng hợp, đuôi xupáp có mũ che bằng thép
(hình 5.28a) hay mũ che bằng cao su (hình 5.28b).

5.6.4. Lò xo xupáp.
1. Công dụng.
Lò xo xupáp có tác dụng giữ cho xupáp ép kín với mặt đế xupáp và cùng các cơ cấu
của phân phối khí thực hiện quá trình đóng mở cửa nạp, cửa xả.
2. Điều kiện làm việc.

24


Khoa Cơ khí Động lực Trờng Đại học SPKT Hng Yên
Lò xo xupáp ngoài sức căng ban đầu còn chịu tải trọng thay đổi đột ngột và tuần hoàn
trong quá trình xupáp đóng mở.
3. Vật liệu chế tạo.
Để nâng cao sức chống mỏi và chống gỉ của lò xo ngời ta thờng dùng biện pháp
công nghệ nh phanh hạt thép làm chai cứng bề mặt nhuộm đến lò xo, sơn lò xo bằng lớp
sơn đặc biệt, mạ kẽm hoặc mạ cát mịn.
4. Kết cấu.
Lò xo xupáp thờng là lò xo trụ, hai đầu
mài phẳng để lắp ráp với đĩa xupáp và đế

lò xo. Số vòng lò xo thờng là 4 ữ 10.

Hình 5.29 : Kết cấu lò xo xupáp
5. Vấn đề tránh cộng hởng trong cơ cấu phân phối khí.

1

2

a,
b,
c,
d,
Hình 5.30. Các biện pháp tránh cộng hởng lò xo xupáp
Lò xo xupáp có tính đàn hồi cao, cùng với các yếu tố khác tạo thành hệ dao động.
Khi biên độ của xupáp quá lớn đặc biệt ở chế độ cộng hởng sẽ gây ra các hậu quả nghiêm
trọng nh sai lệch quy luật làm việc của cơ cấu phân phối khí, va đập, gẫy lò xo xupáp ...
Vì thế vấn đề tránh cộng hởng đợc quan tâm khi thiết kế lò xo xupáp nói riêng hay cơ cấu
phân phối khí nói chung.
Những biện pháp tác động đến cơ cấu của hệ dao động tức là làm cho hệ dao đông
có nhiều tần số riêng khác nhau bằng các biện pháp sau:
* Dùng lò xo bớc xoắn khác nhau (hình 5.30a).
* Dùng lò xo côn. Bản thân lò xo côn có tần số riêng khác nhau (hình 5.30b).
* Dùng nhiều lò xo có bớc xoắn khác nhau lắp lồng vào nhau (hình 5.30c), lò xo 1
có lắp lồng trong lò xo 2. Trong thực tế có động cơ dùng tới 3 lò xo đồng thời cho 1
xupáp. Chiều xoắn khác nhau để các lò xo không bị kẹt trong quá trình làm việc. Phơng
pháp này có u điểm là ứng suất trên các lò xo nhỏ. Ngoài ra khi 1 lò xo bị hỏng, các lò xo

25