Chương 5. THIẾT KẾ CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ
5.1. PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN BỐ TRÍ, DẪN ĐỘNG XUPÁP VÀ TRỤC CAM ĐỂ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
Hệ thống phân phối khí có nhiệm vụ thực hiện quá trình thay đổi khí trong động cơ. Thải sạch khí thải ra khỏi xilanh và nạp đầy hỗn hợp nạp hoặc không khí mới vào xilanh động cơ để động cơ làm việc đƣợc liên tục, ổn định, phát huy hết công suất thiết kế.
5.1.1. Hệ thống phân phối khí trong động cơ bốn kỳ:
Trên động cơ bốn kỳ việc thải sạch khí thải và nạp đầy môi chất mới đƣợc thực hiện bởi cơ cấu cam - xupáp, cơ cấu cam - xupáp đƣợc sử dụng rất đa dạng.
Tùy theo cách bố trí xupáp và trục cam, người ta chia cơ cấu phân phối khí của động cơ bốn kỳ thành nhiều loại khác nhau nhƣ cơ cấu phối khí dùng xupáp treo, cơ cấu phối khí dùng xupáp đặt…
+ Cơ cấu phân phối khí dùng xupáp đặt:
Xupáp đƣợc lắp ở một bên thân máy ngay trên trục cam và đƣợc trục cam dẫn động xupáp thông qua con đội. Xupáp nạp và xupáp thải của các xilanh có thể bố trí theo nhiều kiểu khác nhau: Bố trí xen kẽ hoặc bố trí theo từng cặp một. Khi bố trí từng cặp xupáp cùng tên, các xupáp nạp có thể dùng chung đường nạp nên làm cho đường nạp trở thành đơn giản hơn.
Ưu điểm của phương án này là chiều cao động cơ giảm xuống, kết cấu của nắp xilanh đơn giản, dẫn động xupáp cũng dễ dàng.
Tuy vậy có khuyết điểm là buồng cháy không gọn, có dung tích lớn, 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 cường hoá của động cơ. Đồng thời khó tăng đƣợc tỷ số nén, nhất là khi tỷ số nén của động cơ lớn hơn 7,5 rất khó bố trí buồng cháy. Một khuyết điểm nữa là đường nạp, thải phải bố trí trên thân máy phức tạp cho việc đúc và gia công thân máy, đường thải, nạp khó thanh thoát, tổn thất nạp thải lớn.
+ Cơ cấu phân phối khí dùng xupáp treo:
Xupáp đặt trên nắp máy và đƣợc trục cam dẫn động thông qua con đội, đũa đẩy, đòn bẩy hoặc trục cam dẫn động trực tiếp xupáp.
Khi dùng xupáp treo có ƣu điểm: Tạo đƣợc buồng cháy gọn, diện tích mặt truyền nhiệt nhỏ vì vậy giảm đƣợc 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, do đó có thể tăng tỷ số nén lên thêm 0,5-2 so với phương án bố trí xu páp đặt. Nói một cách khác khi chuyển từ cơ cấu phân phối khí xupáp đặt sang cơ cấu phân phối khí xupáp treo, khả nƣng chống kích nổ tăng lên rất rõ rệt. Cơ cấu phân phối khí xupáp treo còn làm cho dạng đường nạp thải thanh thoát hơn làm giảm khí động, đồng thời do có thể bố trí xupáp hợp lý hơn nên có thể tăng được tiết diện lưu thông của dòng khí tạo điều kiện thải sạch và nạp đầy. Vì vậy hệ số nạp của động cơ xăng có cơ cấu phân phối khí xu páp treo thường lớn hơn 5%-7% so với loại sử dụng cơ cấu phân phối khí xu páp đặt.
Tuy vậy cơ cấu phân phối khí dùng xupáp treo cũng tồn tại một số khuyết điểm nhƣ dẫn động xupáp phức tạp và làm tăng chiều cao của động cơ, kết cấu của nắp xilanh hết sức phức tạp, rất khó đúc và gia công.
Cơ cấu phân 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 phân phối khí. Động cơ có đường kính trung bình và nhỏ (D < 120mm) thường dùng hai xupáp cho một xylanh (một xupáp thải và một xupáp nạp), những động cơ có đường kính lớn hơn thường dùng bốn xupáp cho một xylanh: hai xupáp thải và hai xupáp nạp hoặc dùng ba xupáp: hai xupáp nạp và một xupáp thải. Khi dùng ba xupáp bố trí vòi phun hoặc bugi rất khó. Trong những động cơ dùng hai xupáp cho một xylanh, xupáp có thể bố trí một dãy hay hai dãy dọc theo thân máy. Khi bố trí một dãy, xupáp có thể đặt xen kẽ nhau.
Để dẫn động xupáp, trục cam có thể bố trí trên nắp xilanh để dẫn động trực tiếp hoặc dẫn động qua đòn bẫy. Trường hợp trục cam bố trí ở hộp trục khuỷu hoặc ở thân máy, xupáp đƣợc dẫn động gián tiếp qua con đội, đũa đẩy, đòn bẫy…
Hình 5-2: Cơ cấu phân phối khí dùng xupáp treo.
1 – Trục cam; 2 – Con đội; 3 – Đũa đẩy; 4 – Vít điều chỉnh; 5 – Trục đòn bẫy; 6 – Đòn bẫy; 7 – Đế chặn lò xo; 8 - Lò xo xupáp; 9 - Ống dẫn hướng; 10 –
Xupáp; 11 – Dây đai; 12 – Bánh răng trục khuỷu.
Khi bố trí xupáp treo thành hai dãy, dẫn động xupáp rất phức tạp. Có thể sử dụng phương án dẫn động xupáp dùng một trục cam dẫn động gián tiếp qua các đòn bẩy, hoặc có thể dùng hai trục cam dẫn động trực tiếp.
Hình 5-3. Các phương án dẫn động xupáp.
a).Các xupáp được đặt xen kẽ trên nắp xilanh; b).Xupáp được dẫn động trực tiếp; c).Xupáp được dẫn động thông qua đòn bẫy.
Trong một số động cơ, xupáp có khi bố trí theo kiểu hỗn hợp: xupáp nạp đặt trên thân máy còn xupáp thải lắp chéo trên nắp xilanh. Khi bố trí nhƣ thế kết cấu của cơ cấu phân phối khí rất phức tạp nhưng có thể tăng được tiết diện lưu thông rất nhiều do đó có thể tăng khả năng cường hóa động cơ. Kết cấu này thường dùng trong các loại động cơ tốc độ cao.
5.1.2. Phương án bố trí trục cam và dẫn động trục cam:
Trục cam có thể đặt trong hộp trục khuỷu hay trên nắp máy:
Loại trục cam đặt trong hộp trục khuỷu đƣợc dẫn động bằng bánh răng cam.
Nếu khoảng cách giữa trục cam với trục khuỷu nhỏ thường chỉ dùng một cặp bánh răng. Nếu khoảng cách trục lớn, phải dùng thêm các bánh răng trung gian hoặc dùng xích răng.
Hình 5-4: 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.
a) b)
e) c)
d)
Loại trục cam đặt trên nắp máy. Dẫn động trục cam có thể dùng trục trung gian dẫn động bằng bánh răng côn hoặc dùng xích răng. Khi dùng hệ thống bánh răng côn cần có ổ chắn dọc trục để chịu lực chiều trục và khống chế độ rơ dọc trục.
Khi trục cam dẫn động trực tiếp xupáp, trục cam đƣợc dẫn động qua ống trƣợt, trục cam dẫn động qua đòn quay.
Hiện nay cơ cấu phân phối khí dùng xupap treo đƣợc sử dụng rất phổ biến trên tất cả các động cơ 4 kỳ vì nó có nhiều ƣu điểm hơn.
Dẫn động trục cam có thể dùng truyền động bánh răng, nếu khoảng cách giữa trục cam và trục khuỷu nhỏ thường chỉ dùng một cặp bánh răng. Nếu khoảng cách trục lớn phải dùng thêm các bánh răng trung gian hoặc truyền động xích răng.
Khi trục cam dẫn động xuxáp trực tiếp, trục cam đặt trên nắp máy, dẫn động trục cam có thể dùng trục trung gian dẫn động bằng bánh răng côn hoặc dùng xích răng hoặc dùng truyền động dây đai. Khi dùng dây đai để dẫn động trục cam kết cấu bộ truyền động đơn giản, gọn, nhẹ, truyền động êm và tuổi thọ cao.
Đối với loại xe thiết kế là xe bus thì cần phải đảm bảo độ êm dịu cần thiết, không gây tiếng ồn nhiều,kết cấu gọn, dễ bố trí lên xe cùng với một số ƣu điểm trên ta chọn cơ cấu phối khí dùng xupáp treo dẫn động trực tiếp bằng trục cam đặt trên nắp máy và chọn phương án dẫn động trục cam bằng dây đai để tính toán thiết kế.