Kiến thức về cơ cấu phối khí: nguyên lý, cấu tạo, nhiệm vụ của cơ cấu phối khí
Nhiệm vụ của cơ cấu phối khí
Cơ cấu phối khí có nhiệm vụ điều khiển quá trình thay đổi môi chất công tác trong động cơ, "Thải sạch khí thải khỏi xilanh và nạp đầy hỗn hợp hoặc không khí mới vào xilanh động cơ”.
Điều kiện làm việc cơ cấu phối khí
Tải trọng cơ học cao
Nhiệt độ cao
Tải trọng va đập lớn
Yêu cầu đối với cơ cấu phối khí:
Đóng mổ đúng quy luật và thời điểm
Độ mở lớn
Đóng kín, xupáp thải không tự mỏ trong quá trình nạp,
Ít mỏn, tiếng ổn nhỏ, dễ dàng điều chỉnh, sửa chữa, giá thành chế tạo thấp.
Để đảm bảo nhiệm vụ và yêu câu trên cơ cấu phối khí được phân thành các loại
Các loại cơ cấu phối khí:
Cơ cấu phối khí dùng cam - xupáp:
Là loại cơ cấu phối khí được sử dụng phổ biến trong các loại động cơ đốt trong,
có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, dễ điều chỉnh, giá thành không cao lắm.
Cơ cấu phối khí dùng van trượt:
Là loại cơ cấu có nhiều ưu điểm như tiết diện lưu thông lớn, đễ làm mát, ít tiếng ồn. Nhưng do kết cấu khá phức tạp, giá thành cao nên người ta chỉ sử dụng cho các loại xe đặc biệt như động cơ xe đua.
Cơ cấu phối khí dùng piston đóng mở cửa nạp và cửa thải:
Là loại cơ cấu phối khí của động cơ hai kỳ quét vòng hoặc quét thắng, quét thẳng có thể qua xupáp xả hoặc cửa xá dùng piston đối đính. Cơ cấu phối khí loại này có kết cấu đơn giản, không phải điều chỉnh, sửa chữa nhưng chất lượng quá trình trao đổi khí không cao.
Trong cơ cấu loại này piston động cơ đóng vai trò như một van trượt, đóng mổ cửa nạp và cửa thải. Loại động cơ này không có cơ cấu dẫn động van trượt riêng mà chúng dùng cơ cấu khuýu trục thanh truyền để dẫn động piston .
Cơ cấu phối khí hỗn hợp dùng cửa nạp và xupáp thải:
Sử dụng trên động cơ hai kỳ quét thắng
ĐẶC DIỄM CẤU TẠO CỦA CƠ CẤU PHỐI KHÍ
Cơ cấu phối khí dùng trên động cơ hai kỳ
Trong động cơ hai kỳ, quá trình và nạp đầy môi chất mới vào xilanh chỉ chiếm khoảng 120° đến 150° 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 đấy sản vật cháy ra ngoài.
Ở quá trình này sẽ xấy 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 vất cháy và nạp đây môi chất mới trong động cơ hai kỳ chủ yếu phụ thuộc vào đặc điểm của hệ thống quét thải.
Theo hướng vận động của dòng khí quét trong động cơ hai kỳ phân thành hai loại:
Quét vòng: là hệ thống quét và thải vận hành theo nguyên lý đỏng không khí quét đi đường vòng lúc đầu tử phía dưới men theo thành xilanh đi lên, tới nắp xilanh dòng khí quay đổi chiều 180° và đi xuống ngược với chiều cũ. Các cửa thải và cửa quét của hệ thống quét vòng đều đặt ở phần dưới của xilanh và việc đóng, mỏ các cửa này đều do piston đấm nhiệm.
Quét thẳng: dòng khí quét đi theo đường thẳng từ đưới lên, vì vậy hành trình của nó trong xilanh chỉ bằng một nửa so với quét vòng. Các cơ cấu quét và thải của hệ thống quét thắng được đặt ở hai đầu xylanh. Điều khiến đóng mở cửa khí là do piston hoặc xupáp dùng trục cam.
Ngoài ra hệ thống quét thải của động cơ hai kỳ còn được phân loại như
Dựa vào các cửa khí quanh chu vi có:
Quét vòng đặt ngang: Các cửa thải của hệ thống này được đặt ngang đối diện
với cửa quét.
Quét vòng đặt một bên: Các cửa thải và cửa quét đều đặt vệ một bên của thành
xylanh.
Quét vòng đặt xung quanh: Các cửa thải và cửa quét đều được đặt khắp chu vi
xylanh của động cơ.
Quét vòng đặt hỗn hợp: Là dạng hỗn hợp của các hệ thống quét vòng đặt ngang, quét vỏng đặt mội bên, quét vòng đặt xung quanh.
Dựa vào chiều cao tương đối giữa cửa thải và cửa quét dọc theo đường tâm xylanh:
Mép trên của thải cao hơn của quét: trong đó nếu là động cơ tăng áp thì các cửa thải phải có van xoay để tránh tốn thất khí quét. Nếu là động cơ cỡ nhỏ không tăng áp thì không cần lắp van xoay để động cơ đỡ phức tạp.
Mép trên của thải ngang vói mép trên của cửa quét: Trong trường hợp này phải lắp van một chiều tự động trong cửa quét để tránh hiện tượng sản vật cháy đi vào cửa quét.
Mép trên của thải thấp hơn mép trên cửa quét: Nếu chỉ có một hàng cửa quét thì tất cả các cửa quét phải lắp van một chiều. Nếu có hai hàng cửa quét thì chí cần lắp van một chiều cho hàng cửa quét phía trên.
Thực tế ta gặp rất nhiều cách bố trí phương hướng của các cửa quét, nhưng tất cả đều dựa trên cơ sổ của các phương án bố trí sau:
Hướng song song: Các cửa quét và thải đều được bố trí song song với nhau trong mặt cắt ngang của xilanh. Thường được sử dụng cho động cơ hai kỳ cỡ nhỏ.
Hướng tâm: Thường sử dụng trong cửa thải của hệ thống quét vòng đặt xung quanh hoặc hệ thống quét vòng đặt thẳng.
Hướng tiếp tuyến: Đường tâm các cửa khí là những đường tiếp tuyến với một đường trỏn có đường kính nhỏ hơn đường kính xilanh.
Hướng lệch tâm: Dường tâm của các cửa thải hoặc các cửa quét tập trung vào một vài điểm lệch tâm so với tâm xilanh nằm bên trong hoặc bên ngoài xylanh.
Một số hệ thống quét thải được sử dụng nhiều hiện nay
Sử dụng chủ yếu trên động cơ hai kỳ cỡ nhỏ
Đặc điểm: Dùng cacte làm máy nén khí để tạo ra không khí quét.
Cửa quét thưởng đặt xiên lên hoặc đính piston có kết cấu đặc biệt để dẫn hướng dòng không khí quét trong xylanh.
Hình 4.1. Cơ cấu dùng hộp cácte để quét khí.
1. Piston.
2. Thanh truyền.
3. Trục khuỷu.
Hệ thống quét vòng đặt ngang theo hướng lệch tâm:
Thường dùng trên các động cơ hai kỳ có công suất lón.
Đặc điểm: Cửa quét đặt theo hướng lệch tâm, xiên lên và hợp với đường tâm xilanh một góc 30°, do đó khi dỏng không khí quét vào xilanh sẽ theo hướng đi lên tới nắp xilanh mới vỏng xuống cửa thải.
Hệ thống quét vòng đặt ngang phúc tạp:
Đặc điểm: Có hai hàng cửa quét, hàng trên đặt cao hơn cửa thải, bên trong có bố trí van một chiêu để sau khi đóng kín cửa thải vẫn có thể nạp thêm môi chất công tác mới vào hàng lố 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 tốn thất hành trình piston, giảm các chỉ tiêu công tác của động cơ.
Hệ thống quét vòng đặt một bên:
Chí sử dụng cho các động cơ hai kỳ tĩnh tại, động cơ tàu thủy cỡ nhỏ có tốc độ trung bình. Các cửa khí đặt một bên của thành xilanh theo hướng lệch tâm cửa quét nghiêng xuống một góc 15°. Trong hệ thống có thể có van xoay để đóng cửa thải sau khi kết thúc quét khí nhằm giảm tốn thất khí quét. Hệ số tốn thất khí quét tương đối lón, áp suất có ích trung bình nhỏ.
Hệ thống quét thẳng qua xupáp thải:
Dùng rộng rãi trong động cơ ôtô, máy kéo, tàu thủy, tàu hỏa
Đặc điểm: Cửa quét đặt xung quanh xilanh theo hướng tiếp tuyến. Xupáp thải được đặt trên nắp xilanh.
Hình 4.2.Cơ cấu quét thẳng qua xupáp thải.
1. Cam; 2. Xupáp; 3. Piston; 4. Bơm quét khí
Dòng khí quét chỉ đi theo một chiều tử dưới lên nắp xilanh rồi theo xupáp thải ra ngoài nên đòng không khí quét ít bị hỏa trộn với sản vật cháy và khí thải được đẩy ra ngoài tương đối sạch, đo đó hệ số khí sót nhỏ và áp suất đòng khí nạp lớn.
Hình 4.3. 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 vỏng đặt ngang phức tạp; d. Hệ thống quét thẳng qua
xupáp thải; e. Hệ thống quét vòng đặt một bên
Hình.4.4.Sơ đồ quá trình công tác và pha phối ki của động cơ hai kỳ quét vòng
1.Vị trí điểm chết trên; 1'.Vị trí phun nhiên liệu; 3.Vị trí mổ cửa thải; 3'. Vị trí đóng
cửa thải; 4. Vị trí mở cửa quét; 4'. Vị trí đóng của quét.
Các góc thể hiện giá trị:
- Góc phun sớm;
- Góc ứng với quá trình nén;
- Góc ứng với quá trình cháy và giản nổ;
- Toàn bộ góc mở của cửa thải;
- Toàn bộ góc mỏ của cửa quét;
- Giai đoạn lọt khí
Cơ cấu phối khí dùng trên 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 này rất đa dạng, dựa vào cách bố trí xupáp có:
Cơ cấu phối khí xupáp treo; Cơ cấu phối khí xupáp đặt; Cơ cấu phối khí hỗn hợp.
Dựa vào cách bố trí trục cam có: Trục cam dẫn động xupáp trực tiếp.
Trục cam dẫn động xupap gián tiêp qua con đội-dùa dây-cò mổ xupap
Hình 4.5.Đồ thị công và Sơ đồ pha phối khí của động có 4 kỳ
1. Vị trí mổ xupáp nạp;2. Vị trí đóng xupáp nạp; 3'. Vị trí phun nhiên liệu; 3. Vị trí
điểm chết trên; 4. Vị trí cuối quá trình cháy; 5. Vị trí mổ xupáp thải; 6. Vị trí đóng xupáp
thải
Các góc thể hiện giá trị:
- Góc mở sớm xupáp nạp;
- Góc đóng muộn xupáp nạp;
- Toàn bộ góc mở của xupáp nạp
- Góc phun sớm;
- Góc ứng với quả trình nén;
- Góc ứng với quá trình cháy và quả trình giản nổ
- Góc mở sớm xupáp thải;
- Góc đóng muộn xupáp thải;
- Toàn bộ góc mở của xupáp thải;
- Góc trùng điệp của xupáp thải và xupáp nạp.
Phương án bố trí xupáp trên đỉnh piston
Các động cơ đốt trong có cơ cấu phối khí dùng xupáp ngày nay đều bố trí xupáp theo một trong hai phương án chủ yếu là bế trí xupáp đặt và bố trí xupáp treo.
* Động cơ diezel chỉ dùng phương án bố trí xupáp treo. Vì dung tích buồng cháy của động cơ diezel nhỏ, tỷ số nén rất cao. Dộng cơ xăng có thế dùng xupáp treo hay xupáp đặt, nhưng ngày nay cũng thường dùng cơ cấu phối khí xupáp treo vì cơ cấu phối khí này có nhiêu ưu điểm hơn so với cơ cầu phôi khí xupáp đặt.
* Khi dùng cơ cấu phối khí xupáp treo, buồng cháy rất gọn, diện tích mặt truyền nhiệt nhỏ vì vậy giảm được tốn thất nhiệt. Hình 4.6 giới thiệu kết cấu và cách bố trí xupáp đặt. Phương án bố trí các xupáp cùng tên kề nhau trên hình 4.6.a.
Hình 4.6. Cơ cấu phối khí xupáp đặt
1. Đế xupap; 2. Xupap; 3. Ống dẫn hướng; 4. Lò xo; 5. Móng hãm; 6. Bulông điều chỉnh; 7. Đai ốc hãm; 8. Con đội; 9. Cam.
Cơ cấu phối khí xupáp treo có thể bố trí xupáp theo nhiều kiểu khác nhau. Cách bố trí phụ thuộc vào hình dạng buồng cháy và kết cấu của cơ cấu phối khí. Khi bố trí một đấy, xupáp có thế đặt xen kẽ nhau như hình 4.7.a. Kiểu bế trí đường nạp và đưởng thải trên hình này thường dùng cho động cơ diezel. Trong động cơ xăng, đường thải và đường nạp thường phải bố trí về cùng một phía để ống thải có thể sấy nóng ống nạp khiến nhiên liệu dễ bay hơi. Ngược lại động cơ diezel thường bố trí đường thải và đường nạp về hai phía là để giảm sự sấy nóng không khí nạp do đó nâng cao được hệ số nạp.
Hình 4.7. Cơ cấu phối khí xupáp treo
1. Xupap; 2. Nắp; 3. Đũa đấy; 4. con đội.
Khi bố trí xupáp treo thành hai dấy, dẫn động xupáp rất phức tạp. Có thế sử dụng phương án dẫn động như hình 4.8.a và b, dùng một trục cam dẫn động gián tiếp qua các đòn bấy, hoặc có thế dùng hai trục cam dẫn động trực tiếp.
Hình 4.8. Sơ đồ bế trí hai hàng xupáp và dẫn động chúng trực tiếp bằng trục cam đặt trên nắp xy lanh.
1. Cam. 2. Dòn bẩy. 3. Lò xo xupap. 4. Đường nước.
Nếu chí dùng một trục cam bố trí ở thân máy thì phải dùng cơ cấu đòn bấy khá phức tạp (Hình 4.9). Phương án dẫn động này cũng được dùng khá phố biến trong động cơ chữ V. Các loại động cơ chữ V dùng trên ô tô máy kéo có buồng cháy hình chêm, các xupáp thường bố trí theo một dãy và nghiêng đi một góc so với đường tâm xilanh. Vì vậy thưởng hay dùng mội trục cam đặt giữa hai hàng xilanh để dẫn động toàn bộ các xupáp.
Hình 4.9. Sơ đồ dẫn động bốn dãy xupáp bằng một trục cam.
1.Xupap; 2. Dũa đẩy; 3. Đòn bẩy; 4.Piston; 5. Cam
Trong các động cơ có đường kính xilanh và các động cơ hiện đại thưởng dùng bốn xupáp để tăng diện tích tiết diện lưu thông và để giảm đường kính nấm xupáp, khiến cho xupáp không bị quá nóng và tăng được sức bển. Các xupáp cùng tên của loại động cơ này có thế bố trí thành hai dãy hoặc thành một dãy.
Khi bố trí theo cách thứ nhất (Hình 4.10.a), có thể giảm bới số đường nạp, đường thải trong nắp xilanh và có thế để đường thải và đường nạp về cùng một phía. Trong nhiều kết cấu của động cơ chữ V, bố trí như trên có nhiều thuận lợi. Tuy vậy kiểu bố trí này thường làm cho xupáp thải bên phải quá nóng.
Bố trí xupáp theo kiểu thứ hai (Hình 4.10b) tuy phẩi dùng hai trục cam nhưng tránh được thiếu sót trên, ngoài ra còn làm cho việc bố trí đường thải và đường nạp thuận lợi, nhất là đối với động cơ diezel. Để đảm bảo dẫn động các xupáp cùng tên đóng mở đồng thời, người ta bố trí trục cam dẫn động các xupáp cùng tên này bằng các đòn bấy hình nạng (Hình 4.10.c), đòn ngang (Hình 4.10.đ) hoặc hai cam cùng tên trực tiếp dẫn động.
Hình 4.10. Bố trí xupáp vàcác phương án dân động xupáp trong động cơ dùng bốn xupáp cho một xy lanh.
1. Dòn bẩy; 2. Xupap; 3. Cam; 4. Đế xupap.
Trong một số động cơ xăng, xupáp có khi bố trí theo kiểu hỗn hợp: xupáp nạp đặt trên thân cỏn xupáp thải lắp chéo trên nắp xilanh như hình 4. 11.
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 cố. Kết cấu này thường dùng trong các loại động cơ xăng tốc độ cao.
Hình 4.11. Bố trí xupáp hỗn hợp
1. Đòn bẩy; 2. Xupáp nạp 3. Dũa đẩy; 4. Xupáp thải.
Phương án dẫn động trục cam:
Phương án dẫn động bằng bánh răng có ưu điểm rất lón là kết cấu đơn giản,
do cặp bánh răng phân phối khí thường dùng bánh răng nghiêng nên ăn khóp êm và
bền. Truyền động bằng xích có nhiều ưu điểm như gọn nhẹ, có thể dẫn động được trục cam ở khoảng cách lớn.
Nhược điểm là đắt tiền hơn dẫn động bánh răng nhiều.
Hình 4.12. Các phương án dân động trục cam
a.Dẫn động trục cam dùng bánh răng côn ; b.Dẫn động trục cam dùng bánh răng trung
gian; c. Dẫn động trục cam dùng bánh răng côn ; d.Dẫn động trục cam dùng xích ; e.Dẫn
động trục cam dùng xích có bộ phận căng xích
