Thiết kế cơ cấu phân phối khí động cơ Z6 trên xe Ford Focus | Đồ án môn thiết kế ô tô Trường đại học sư phạm kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU........................................................................................................................ 2
1. Mục đích và ý nghĩa của đề tài:...................................................................................... 3
2. Tổng quan về sự phát triển của cơ cấu phân phối khí 4 kỳ từ cổ điển đến hiện đại: 4
2.1. Nhiệm vụ, yêu cầu:.................................................................................................... 4
2.2. Cơ cấu phân phối khí cổ điển:...................................................................................4
2.3. Cơ cấu phân phối khí hiện đại:................................................................................. 7
3. Thiết kế cơ cấu phân phối khí trên động cơ Z6:......................................................... 14
3.1. Các chi tiết của hệ thống cơ cấu phân phối khí động cơ Z6:................................16
3.2. Hệ thống thay đổi góc phân phối khí:.....................................................................27
3.3. Đặc điểm,kết cấu của hệ thống thay đổi góc phân phối khí:................................. 30
4. Tính toán các thông số cơ bản của cơ cấu phân phối khí:......................................... 43
4.1. Xác định kích thước của tiết diện lưu thông:......................................................... 43
4.2. Phân tích chọn dạng cam:....................................................................................... 46
4.3. Dựng hình cam lồi:.................................................................................................. 47
4.4. Động học con đội đáy bằng:.................................................................................... 51
5. Tính kiểm nghiệm các chi tiết trong cơ cấu phân phối khí động cơ Z6:...................54
5. 1. Quy dẫn khối lượng các chi tiết máy trong cơ cấu phối khí:................................54
5.2. Tính toán lò xo xupáp:.............................................................................................56
5. 3. Tính toán kiểm nghiệm trục cam:.......................................................................... 59
5. 4. Tính toán sức bền con đội:..................................................................................... 63
5. 5. Tính toán sức bền xupáp:....................................................................................... 63
6. Những hư hỏng và phương pháp kiểm tra, sửa chữa các chi tiết trong cơ cấu phân
phối khí:.............................................................................................................................. 64
6.1. Những hư hỏng:.......................................................................................................64
6.2. Các phương pháp kiểm tra, phân loại chi tiết:....................................................... 64
6.3. Phương pháp kiểm tra sửa chữa các chi tiết của cơ cấu phân phối khí động cơ Z6:
..........................................................................................................................................66
7. Kết luận:..........................................................................................................................73
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................. 74
Thiết kế cơ cấu phân phối khí động cơ Z6 trên xe Ford Focus LỜI NÓI ĐẦU
Động cơ đốt trong ngày nay đang phát triển rất mạnh mẽ cả về số lượng lẫn chất
lượng, nó đóng một vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực kinh tế, xã hội, khoa học
công nghệ... Là nguồn động lực cho các phương tiện vận tải như ôtô, máy kéo, tàu
thuỷ, máy bay và các máy động cơ cở nhỏ v.v..
Đối với một sinh viên kỹ thuật, đồ án tốt nghiệp đóng một vai trò rất quan trọng.
Đề tài tốt nghiệp em chọn là thiết kế cơ cấu phân phối khí trên động cơ Z6. Tuy là một
đề tài quen thuộc đối với sinh viên nhưng mục đích của đề tài rất thiết thực, nó không
những giúp cho em có điều kiện để ôn lại các kiến thức đã học ở trường mà còn có thể
hiểu biết kiến thức nhiều hơn khi tiếp xúc với thực tế. Cơ cấu phân phối khí của động
cơ Z6 có nhiều đặc điểm mới lạ. Do đó việc thiết kế động cơ này thật sự đã đem đến
cho em nhiều điều hay và bổ ích.
Được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của thầy Trần Văn Nam, các thầy cô trong
khoa cùng với việc tìm hiểu, tham khảo các tài liệu liên quan và vận dụng các kiến
thức được học, em đã cố gắng hoàn thành đề tài này. Mặc dù vậy, do kiến thức của
em có hạn lại thiếu kinh nghiệm thực tế nên đồ án sẽ không tránh khỏi những thiếu sót.
Em mong các thầy cô góp ý, chỉ bảo thêm để kiến thức của em ngày càng hoàn thiện hơn.
Cuối cùng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn "Trần Văn
Nam” cùng các thầy cô trong khoa và các bạn đã nhiệt tình giúp đỡ để em có thể hoàn thành đồ án này. Sinh viên thực hiện Lê Thanh Nguyên 2
Thiết kế cơ cấu phân phối khí động cơ Z6 trên xe Ford Focus
1. Mục đích và ý nghĩa của đề tài:
Ngày nay, phần lớn các thương hiệu xe hơi nổi tiếng đã có mặt tại thị trường Việt
Nam, trong đó Ford là hãng xe hơi đi tiên phong với hơn 15 năm kinh nghiệm, đứng
thứ 2 với 14% thị phần với các dòng xe tiêu biểu như Everest, Escape, Mondeo,
Transit, Ranger, Laser, Focus. Trong đó Focus là nổi bật nhất, là chiếc sedan thành
công nhất trong lịch sử của Ford, đã đạt doanh thu kỷ lục với 1030 xe tại thị trường
Việt Nam trong năm 2009. Sự thành công của Focus là nhờ được trang bị các hệ thống
hiện đại như hệ thống chống bó cứng phanh (ABS), hệ thống phân phối lực phanh
điện tử (EBD), nội thất rộng rãi sang trọng và tinh tế. Đặc biệt là hệ thống điều khiển
van biến thiên VCT của Ford cho phép tối ưu hóa thời gian, thời điểm, góc đóng mở
của xupáp làm tăng công suất động cơ, tiết kiệm nhiên liệu, thân thiện với môi trường
là xu thế mới là tiêu chí hàng đầu trong lĩnh vực nhiên cứu chế tạo động cơ ô tô ngày
nay. Đó là lý do em chọn đề tài “Thiết kế cơ cấu phân phối khí động cơ Z6 trên xe
Ford Focus” được lắp trên xe Focus của Ford.
Trong đề tài này em tập trung vào vấn đề kết cấu và nguyên lý hoạt động của các
chi tiết trong hệ thống phân phối khí động cơ Z6, tính toán các thông số kích thước cơ
bản, ngoài ra em còn phân tích các nguyên nhân hư hỏng và biện pháp khắc phục các hư hỏng.
Thông qua việc làm đề tài này đã góp phần cho em củng cố lại các kiến thức đã
được học và tập cho em cách nghiên cứu làm việc độc lập tạo điều kiện thuận lợi cho
công việc sau này của người kỹ sư tương lai.
2. Tổng quan về sự phát triển của cơ cấu phân phối khí 4 kỳ từ cổ điển đến hiện đại: 2.1. Nhiệm vụ, yêu cầu:
* Nhiệm vụ: Cơ cấu phân phối khí có nhiệm vụ điều khiển quá trình thay đổi khí, thải
sạch khí thải khỏi xilanh và nạp đầy hỗn hợp hoặc không khí mới vào xilanh để động
cơ làm việc được liên tục. Trong quá trình làm việc không khí sạch và nhiên liệu được
cấp vào xilanh động cơ ứng với các thời điểm xác định. Việc nạp không khí và làm
sạch xilanh động cơ 4 kỳ thực hiện thông qua xupáp nạp và xả.. * Yêu cầu: 3
Thiết kế cơ cấu phân phối khí động cơ Z6 trên xe Ford Focus
- Đóng mở xupáp đúng thời gian qui định.
- Độ mở lớn để dòng khí dễ lưu thông
- Đóng kín và không được hở (tì chặt lên đế xupáp). Tránh gây lọt khí sẽ làm giảm áp
suất trong hành trình nén làm giảm công suất của động cơ.
- Ít mòn và ít ồn ào (do va đập).
- Dễ điều chỉnh, sửa chữa, giá thành hạ.
- Đóng mở các cửa nạp và cửa thải theo đúng qui luật pha phối khí động cơ.
2.2. Cơ cấu phân phối khí cổ điển:
2.2.1. Cơ cấu phân phối khí xupáp đặt: * Nguyên lý làm việc : 4
Thiết kế cơ cấu phân phối khí động cơ Z6 trên xe Ford Focus
Khi động cơ làm việc thông qua dẫn
(nếu ở xupáp xả). Khi vấu cam 8 không
động từ bánh răng trục khuỷu 10
tác động vào con đội nữa lúc này lò xo
làm cho trục cam 8 quay, khi trục cam
3 dãn ra và làm cho xupáp đóng lại, kết
quay vấu cam sẽ tác động lên con đội
thúc quá trình hút hoặc quá trình thải
7 làm cho con đội chuyển động đi của động cơ.
lên và tác dụng vào đuôi xupáp 1
Hình 2-1 Kết cấu cơ cấu phân
làm cho xupáp chuyển động đi lên lúc
phối khí xupáp đặt; 1-Xuppáp; 2-Ống
này lò xo 3 bị nén lại. Khi xupáp
dẫn hướng; 3-Lò xo; 4-Đĩa lò xo; 5-Ốc
chuyển động đi lên sẽ mở thông cửa
điều chỉnh; 6-Đai ốc điều chỉnh; 7-Con
nạp với bên trong xilanh (nếu ở xupáp
đội; 8-Cam; 9-Bánh răng trục cam; 10-
hút) ở bên trong xilanh với cửa xả bánh răng trục cơ
+ Ưu điểm: Chiều cao động cơ giảm, kết cấu nắp xilanh đơn giản, dẫn động xupáp
dễ dàng thuận tiện. Số chi tiết của cơ cấu ít nên lực quán tính của cơ cấu nhỏ, bề
mặt cam và con đội ít bi mòn + Nhược điểm:
Buồng cháy không gọn (Vc tăng) làm cho tỉ số nén giảm dẫn đến động cơ có tỉ số nén thấp.
Diện tích làm mát lớn dẫn tới tổn thất nhiệt nhiều, dẫn đến t giảm.
Tăng tổn thất khí động. Do có nhiều hạn chế nên người ta chỉ sử dung phương án
này cho các loại động cơ xăng có tỉ số nén thấp (<7,5) và số vòng quay không cao lắm.
2.2.2. Cơ cấu phân phối khí xupáp treo: * Nguyên lý làm việc :
Khi động cơ làm việc nhờ sự dẫn động
từ trục cơ làm cho trục cam quay. Khi
bề mặt làm việc của vấu cam 11 tác
động vào con đội 10 làm cho con đội
chuyển động đi lên, dẫn đến đũa đẩy 9
cũng chuyển động đi lên, khi đũa đẩy 9 5
Thiết kế cơ cấu phân phối khí động cơ Z6 trên xe Ford Focus
chuyển động đi lên thì sẽ tác động vào
Hình 2-2 Kết cấu Cơ cấu phân phối
đuôi đòn bẩy 6 làm cho đuôi đòn bẩy 6
khí xupáp treo; 1-Ống dẫn hướng; 2-
chuyển động đi lên và xoay xung
Lò xo xupáp; 3-Đĩa lò xo; 4-Móng
quanh trục của nó dẫn đến đầu đòn bẩy
hãm; 5-Xupáp; 6-Đòn bẩy; 7-Vít
6 chuyển động đi xuống tác động vào
chỉnh xupáp; 8-Đế xupáp; 9-Đũa đẩy;
đuôi xupáp 5 làm cho xupáp chuyển 10-Con đội; 11- Cam
động đi xuống lúc này lò xo 2 bị nén
lại. Khi xupáp chuyển động đi xuống sẽ mở thông cửa nạp với bên trong xi lanh
(nếu ở xupáp hút) ở bên trong xi lanh với cửa xả (nếu ở xupáp xả). Khi vấu cam 11
không tác động vào con đội nữa lúc này lò xo 2 dãn ra và làm cho xupáp 5 đóng lại,
kết thúc quá trình hút hoặc quá trình thải của động cơ. Quá trình này diễn ra liên tục
trong suốt quá trình làm việc của động cơ. - Ưu điểm:
+ Buồng cháy nhỏ gọn, diện tích truyền nhiệt nhỏ, giảm được tổn thất nhiệt
+ Dễ tăng tỷ số nén, đường nạp đường thải thông thoáng, tăng hệ số nạp, giảm hệ số
khí sót. đảm bảo góc phối khí chính xác hơn. Đối với động cơ xăng có thể tăng tỉ số nén mà không kích nổ - Nhược điểm:
+ Dẫn động xupáp phức tạp
+ Tăng chiều cao động cơ
+ Kết cấu nắp xilanh phức tạp, khó chế tao
+ Độ tin cậy thấp hơn phương án bố trí xupáp đặt
2.2.3. Cơ cấu phân phối khí xupáp treo dẫn động xupáp trực tiếp nhờ trục cam:
* Nguyên lý làm việc: Khi động cơ làm
việc thông qua cơ cấu truyền động đến 6
trục cam 6 làm cho trục cam 6 quay. Khi 5 7
bề mặt làm việc của cam 6 tác động vào 4
con đội 5 làm cho nó chuyển động đi 3 8
xuống, tác động vào đuôi xupáp 1 làm 2 1 6
Thiết kế cơ cấu phân phối khí động cơ Z6 trên xe Ford Focus
cho xupáp 1 chuyển động đi xuống dẫn
đến mở thông cửa nạp với bên trong xi
lanh nếu như ở xupáp nạp và bên trong xi
lanh với bên ngoài cửa xả nếu như ở
xupáp xả, lúc này lò xo 3 bị nén lại. Khi
bề mặt làm việc của cam 6 không tác
Hình 2-3 Kết cấu xupáp treo dẫn động
trực tiếp; 1-Xupáp; 2-Ống dẫn hướng; 3-
lò xo xupáp; 4-Đĩa lò xo; 5-Con đội; 6-
Cam; 7-Móng hãm; 8-Đế xupáp 7
Thiết kế cơ cấu phân phối khí động cơ Z6 trên xe Ford Focus
động vào con đội 5 lúc này nhờ lực đẩy lò xo 3 làm cho xupáp 1 chuyển động đi lên
và đóng kín không cho thông giữa bên trong xilanh với bên ngoài cửa nạp hoặc cửa xả. - Ưu điểm: + Kết cấu gọn
+ Làm việc ít tiếng ồn, có độ chính xác cao. - Nhược điểm:
+ Cơ cấu dẫn động trục cam phức tạp, yêu cầu độ chính xác chế tạo và lắp ghép
2.2.4. Nhược điểm của cơ cấu phân phối khí cổ điển:
Do tính chất của hòa khí và sau khi cháy mà 3 thông số thời điểm, độ nâng và
thời gian mở của các xupáp ở tốc độ thấp và tốc độ cao rất khác nhau. Đối với động
cơ cổ điển thì công suất và mô-men xoắn cực đại ở tốc độ nào của xe thì phụ thuộc
vào điều kiện sử dụng của xe đó. Nếu đặt điều kiện hoạt động tối ưu của các xupáp
ở tốc độ thấp thì quá trình đốt nhiên liệu lại không hiệu quả khi động cơ ở trạng thái
tốc độ cao, khiến công suất chung của động cơ bị giới hạn. Ngược lại, nếu đặt điều
kiện tối ưu ở số tốc độ cao thì động cơ lại hoạt động không tốt ở tốc độ thấp. Từ
những hạn chế đó, thì cơ cấu phối khí hiện đại ra đời với ý tưởng là tìm cách tác
động để thời điểm mở van, độ mở và khoảng thời gian mở biến thiên theo từng
vòng tua khác nhau sao cho chúng mở đúng lúc, khoảng mở và thời gian mở đủ để
lấy đầy hòa khí vào buồng đốt
2.3. Cơ cấu phân phối khí hiện đại:
2.3.1. Cơ cấu phân phối khí VTEC của Honda:
Hệ thống VTEC của Honda là một trong những công nghệ tiên tiến nhằm tối ưu
hóa hiệu quả của động cơ. Được kỹ sư thiết kế động cơ của Honda, Kenichis Nagahiro sáng tạo.
2.3.1.1.Cấu tạo hệ thống: 7
Thiết kế cơ cấu phân phối khí động cơ Z6 trên xe Ford Focus
Hình 2-4 Cấu tạo của hệ thống VTEC.
1- Trục cam ; 2- Tấm định vị ; 3 - Cò mổ thứ cấp ; 4 - Cò mổ thứ hai ;
5 - Piston đồng bộ ; 6 - Piston tác động ; 7 – Xupáp hút.
Động cơ bố trí 4 xupáp cho mỗi xylanh, bao gồm 2 xupáp nạp và 2 xupáp xả.
Hai vấu cam nạp có biên độ mở khác nhau, một cam có biên độ mở lớn và một cam
có biên độ mở nhỏ. Các piston lắp đặt bên trong cò mổ sẽ đẩy piston đồng bộ di
chuyển cùng hướng để ép piston chặn và lò xo hoàn lực lại tạo sự liên kết hai cò mổ
lại với nhau. Khi mất áp lực dầu, dưới sự hoàn lực của lò xo thông qua piston chặn
sẽ được piston đồng bộ trở về làm tách 2 cò mổ mở riêng rẽ. Ở tốc độ thấp, hai cò
mổ được tách rời, vì thế xupáp hút thứ nhất điều khiển sự phân phối chính trong khi
đó xupáp hút thứ hai chỉ hé mở để ngăn chặn nhiên liệu tích luỹ ở cửa nạp. Ở tốc độ
cao, hai cò mổ được liên kết thành một khối nhờ vào piston đồng bộ. Vì vậy tốc độ
này cả hai xupáp đều chịu sư tác động của vấu cam có biên độ mở lớn nhất.
2.3.1.2.Quá trình hoạt động:
Kỹ thuật thay đổi thời gian phân phối khí và mức độ nâng xupáp được sử dụng
cho động cơ nhằm mục đích tiêu thụ nhiên liệu thấp nhất nhưng công suất phát ra
vẫn cao. Với hệ thống này, đặc điểm nổi bật là với một tỷ lệ hoà khí tiết kiệm
nhưng vẫn tạo ra một momen lớn ở tốc độ thấp, đồng thời ở tốc độ cao công suất
phát ra lớn tương đương như động cơ bốn xupáp tiêu chuẩn đạt được. 8
Thiết kế cơ cấu phân phối khí động cơ Z6 trên xe Ford Focus
Hình 2-5 Hoạt động của hệ thống VTEC. * Ở tốc độ thấp:
Cò mổ thứ nhất và cò mổ thứ hai được tách rời, do vấu cam A và B điều khiển
riêng biệt hai xupáp, khả năng nâng của cò mổ thứ hai rất nhỏ để hé mở xupáp (một
xupáp điều khiển sự phân phối khí chính).
Hình 2-5 Cấu tạo của cơ cấu phân phối khí ở tốc độ thấp.
1-Piston tác động , 2- Piston đồng bộ , 3- Piston chặn , 4- Cò mổ thứ nhất ,
5- Cò mổ thứ hai , 6- Cam thứ nhất , 7- Cam thứ hai. * Ở tốc độ cao:
Piston tác động được bố trí bên trong cò mổ thứ nhất, nó được tác động bởi áp
lực dầu để di chuyển theo hướng mũi tên như hình (4). Cả hai cò mổ thứ 1 và thứ 2
được liên kết lại bằng piston đồng bộ. Ở tốc độ này, biên độ mở của xupáp thứ hai
giống như biên độ mở của xupáp thứ nhất nhằm đáp ứng cho sự hoạt động ở tốc độ
cao giống như động cơ 4 xupáp thông thường (2 xupáp điều khiển phân phối khí). 9
Thiết kế cơ cấu phân phối khí động cơ Z6 trên xe Ford Focus
Hình 2-6 Cấu tạo của cơ cấu phân phối khí ở tốc độ cao.
1- Áp lực dầu đến, 2- Cam thứ nhất.
2.3.1.3. Hệ thống điều khiển:
Hệ thống điều khiển cho cơ cấu này được trình bày bên dưới. Các cảm biến liên
tục nhận sự thay đổi bên trong động cơ như : tải, nhiệt độ nước, số vòng quay động
cơ và tốc độ xe. Những tín hiệu này sẽ được chuyển đến ECU để ECU điều khiển
chính xác áp lực dầu đến các piston thuỷ lực.
* Các điều kiện chuyển đổi:
Số vòng quay động cơ : 2500 v/p. Nhiệt độ nước : 5300C Tốc độ xe : 5 Km/h.
Tải động cơ : Dựa vào áp suất thấp ở đường ống nạp
Hình 2-7 Sơ đồ Hệ thống điều khiển cơ cấu phân phối khí bằng điện tử
2.3.1.4. Ưu điểm của hệ thống:
Tính ưu việt ở loại động cơ này là công suất động cơ cao đồng thời với việc tiết
kiệm nhiên liệu. Cơ cấu phân phối khí của động cơ này gần giống như kiểu phân
phối khí của động cơ bốn xupáp thông thường, nhưng nó được cải tiến sư phân phối
tốt hơn. Ở tốc độ thấp, lượng hoà khí nạp vào trong xilanh được tiết kiệm do chỉ mở 10
Thiết kế cơ cấu phân phối khí động cơ Z6 trên xe Ford Focus
một trong hai xupáp nhưng ở tốc độ trung bình và cao, công suất phát ra lớn do mở
đồng thời cả hai xupáp hút.
2.3.2. Cơ cấu phân phối khí MIVEC của Mitsubishi:
MIVEC (Mitsubishi Innovative Valve timing Electronic Control system) là tên
viết tắt của công nghệ động cơ với xupáp nạp biến thiên được phát triển bởi hãng Mitsubishi.
2.3.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:
Hệ thống này có khả năng thay đổi hành trình hoặc thời gian đóng mở các xupáp
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. MIVEC được Mitsubishi giới thiệu lần đầu tiên vào năm
1992 trên động cơ 4G92, dung tích 1597 cc, 4 xilanh thẳng hàng, mỗi xilanh gồm
hai xupáp nạp và hai xupáp xả. Thế hệ công nghệ này ra đời với tên gọi “Mitsubishi
Innovative Valve timing and lift Electronic Control”. Chiếc xe đầu tiên sử dụng
công nghệ này là chiếc hatchback Mitsubishi Mirage và chiếc sedan Mitsubishi Lancer. * Nguyên lý hoạt động:
Nhằm tối ưu hiệu suất động cơ ở dãi tốc độ thấp và trung bình, mặt khác lại
nâng cao công suất ở vòng tua cao, hệ thống MIVEC đạt được cả hai mục tiêu trên
nhờ chủ động điều khiển cả thời điểm và khoảng thời gian đóng mở xupáp. Hệ
thống MIVEC điều khiển hoán đổi các vấu cam có cùng chức năng. Một số các loại
xe đua thể thao đã áp dụng biện pháp công nghệ này nhằm mục đích sinh ra nhiều
công suất hơn. Việc chuyển đổi vấu cam được thực hiện một cách tự động nhờ các
ECU của hệ thống MIVEC, dựa trên các tín hiệu đầu vào như tốc độ động cơ, số
vòng quay trục khuỷu, nhiệt độ nước làm mát, độ mở bướm ga,…ECU sẽ đưa ra tín
hiệu điều khiển để kích hoạt hoặc hủy chế độ MIVEC. 11
Thiết kế cơ cấu phân phối khí động cơ Z6 trên xe Ford Focus
Hình 2-8 Hoạt động của hệ thống Mivec
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 mổ, dẫn động các xupáp
nạp, đặt đối xứng nhau qua cam tốc độ cao ở giữa. Mỗi xupáp 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 xupáp 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.
Nói chung, chế độ MIVEC được kích hoạt để chuyển sang vấu cam tốc độ cao
khi tốc độ động cơ tăng và chuyển sang vấu cam tốc độ thấp khi tốc độ động cơ
giảm. Ở dải tốc độ thấp, thời gian đóng mở các xu páp nạp và xả trùng nhau tăng để
tăng sự ổn định ở chế độ không tải. Khi tăng tốc, thời điểm xupáp nạp đóng được
làm chậm lại để giảm áp lực ngược đồng thời cải thiện hiệu suất khí nạp, giúp tăng
công suất động cơ cũng như giảm hệ số ma sát. 12
Thiết kế cơ cấu phân phối khí động cơ Z6 trên xe Ford Focus
Hình 2-9 Cấu tạo của hệ thống Mivec
2.3.2.2. Ưu điểm của hệ thống:
Hệ thống MIVEC điều khiển bốn chế độ vận hành tối ưu của động cơ như sau:
* Trong hầu hết các điều kiện làm việc, để đảm bảo hiệu suất nhiên liệu cao nhất,
thời gian đóng xupáp trùng nhau tăng lên để giảm tổn thất bơm. Thời điểm xupáp
xả mở được làm chậm lại để tăng tỷ số nén, tăng tính kinh tế của nhiên liệu.
* Khi cần công suất cực đại (tốc độ và tải trọng cao), thời điểm đóng xupáp nạp
được làm chậm lại để đồng nhất hóa không khí nạp với thể tích nạp là lớn nhất.
* Ở dải tốc độ thấp và tải nặng, MIVEC đảm bảo tối ưu mômen xoắn do thời điểm
xupáp nạp đóng được làm trễ hơn để đảm bảo đủ lượng khí nạp. Cùng lúc đó, thời
điểm xupáp xả mở được làm chậm lại để tăng tỷ số nén và cải thiện hiệu suất động cơ.
* Ở chế độ không tải, thời điểm xupáp xả và nạp trùng nhau được loại bỏ để ổn định quá trình cháy.
2.3.3. Cơ cấu phân phối khí VCT của hãng Ford:
Hãng Ford đã đi đầu trong lĩnh vực cải tiến hệ thông phân phối khí và đã cho ra
đời nhiều thế hệ ôtô với tính năng hiện đại. Trong đó có hệ thống điều khiển xoay
trục cam nạp hay gọi là hệ thống điều khiển VCT. Với hệ thống này nhằm thay đổi 13
Thiết kế cơ cấu phân phối khí động cơ Z6 trên xe Ford Focus
góc phân phối khí của các xupáp phù hợp với từng dãi tốc độ làm việc của động cơ
được ra đời trong nhưng năm gần đây và sử dụng rộng rãi ở Việt Nam trên các loại
xe như: Focus, Mondeo, Escape, Transit…
Hình 2-10 Hệ thống cơ cấu phân phối khí VCT
VCT là hệ thống điều khiển thời điểm phối khí phù hợp với chế độ làm việc của
động cơ. VCT là cụm từ viết tắt từ tiếng Anh: Variable Cam Timing
Đối với các động cơ cổ điển thì thời điểm phối khí là cố định và thường đựơc
tính theo điều kiện sử dụng của động cơ. Vì nó được dẫn động trực tiếp từ trục
khuỷu đến cam thông qua cặp bánh răng hoặc xích. Ngược lại, với các động cơ có
hệ thống VCT thì góc phân phối có thể thay đổi theo điều kiện làm việc của động
cơ. Hệ thống VCT sử dụng áp suất thuỷ lực điều khiển bằng van điện từ để xoay
trục cam nạp, thay đổi thời điểm phối khí để đạt được thời điểm phối khí tối ưu . Hệ
thống này có thể xoay trục cam một góc 400 tính theo góc quay trục khuỷu để đạt
thời điểm phối khí tối ưu cho các chế độ hoạt động của động cơ dựa vào các tín hiệu
từ cảm biến và điều khiển bằng ECU động cơ.
Do đó hệ thống này được đánh giá rất cao vì nó cải thiện quá trình nạp và thải,
tăng công suất động cơ, tăng tính kinh tế và giảm ô nhiễm môi trường.
2.3.4. Ưu điểm của cơ cấu phân phối khí hiện đại so với cổ điển:
Việc sử dụng các bộ phận thay đổi thời điểm và quy luật nâng của xupáp, làm
cho cơ cấu phối khí hiện đại luôn hoạt động ở điều kiện tối ưu. Điều đó đã làm cho
động cơ sử dụng cơ cấu phối khí hiện đại có suất tiêu hao nhiên liệu thấp, việc gia
tốc thay đổi từ tốc độ thấp sang tốc độ cao xảy ra nhanh chóng, ít gây ô nhiễm và
đạt công suất cao. Xe có sử dụng cơ cấu phân phối khí hiện đại sẽ chạy êm dịu
trong thành phố cũng như trên quốc lộ, dễ dàng chuyển từ tốc độ thấp sang tốc độ 14
Thiết kế cơ cấu phân phối khí động cơ Z6 trên xe Ford Focus cao.
2.3.5. Ưu điểm của VCT so với VTEC và MIVEC:
Đối với động cơ sử dụng VTEC và MIVEC thì mặc dù cho công suất tối đa lớn
nhưng không cải thiện được mô men xoắn cực đại và có cơ chế hoạt động phức tạp,
chỉ hoạt động được 2 hoặc 3 pha và không liên tục. Trong khi đó VCT công nghệ
của Ford giúp tối ưu hoạt động của xupáp nạp và xả trên toàn bộ dãi tốc độ của
động cơ, biến thiên góc quay trục cam cho phép xupáp đóng mở tại các thời điểm
khác nhau trong mỗi chu trình cháy (4 kỳ) để phân bố công suất của động cơ phù
hợp theo tốc độ và tải (chân ga) một cách nhanh chóng.
3. Thiết kế cơ cấu phân phối khí trên động cơ Z6:
Động cơ Z6 do hãng Ford sản xuất, được lắp trên xe Focus 1,6L. Z6 là động cơ
xăng với 4 xilanh được đặt thẳng hàng, 16 xupáp. Các xupáp đựợc dẫn động trực
tiếp từ cam. Cam được đặt trên nắp máy, gồm 2 trục cam dẫn động xupáp (DOHC).
Z6 tích hợp hệ thống điều khiển van biến thiên VCT (Variable Cam Timing) cho
phép tối ưu hóa thời gian, thời điểm, góc đóng mở của xupáp làm tăng công suất
động cơ, tiết kiệm được nhiên liệu. Dùng hệ thống phun xăng điện tử theo chu kỳ.
Với những cải tiến này mang lại cho động cơ hoạt động tốt nhất ở mọi chế độ làm việc.
Bảng 3- 1 - Thông số động cơ: STT Hạng mục Thông số Đơn vị 1 Đường kính xilanh 78 mm 2 Hành trình piston 83,6 mm 3 Dung tích xilanh 1598 cc 4 Tỷ số nén 10 5 Số vòng quay 6000 v/phút 6 Công suất cực đại 77 KW 7 Mômen xoắn cực đại 145 N.m 8 Góc mở sớm xupáp nạp -3 37 độ 9
Góc đóng muộn xupáp nạp 13 53 độ 15
Thiết kế cơ cấu phân phối khí động cơ Z6 trên xe Ford Focus 10 Góc mở sớm xupáp xả 53 độ 11 Góc đóng muộn xupáp xả 3 độ 12 Thứ tự nổ 1 - 3- 4 - 2 13 Cam đóng mở xupáp DOHC 14
Đường kính cổ trục cam 25 mm 15
Đường kính nấm xupáp nạp 27,8 mm 16
Đường kính nấm xupáp xả 24,7 mm 17 Số xilanh 4 18 Phun xăng điện tử có 11 12 13 14 15 16 17 10 9 18 8 19 20 21 22 7 23 24 6 5 25 4 3 1 28 27 26 2
Hình 3-1 Mặt cắt động cơ Z6. 16
Thiết kế cơ cấu phân phối khí động cơ Z6 trên xe Ford Focus
1 – Các te; 2 – Lọc dầu bôi trơn; 3 - Ống dẫn dầu bôi trơn; 4 – Trục khuỷu; 5 –
Bánh xích đầu trục khuỷu; 6 – Buly trục khuỷu; 7 – Xích dẫn động; 8 – Bánh xích
dẫn động trục cam; 9 – Trục cam; 10 – Đường dẫn dầu bôi trơn; 11 – Xupáp; 12 –
Con đội; 13 – Đĩa chặn lò xo; 14 – Lò xo xupáp; 15 - Ống dẫn hướng; 16 – Xilanh;
17 – Đế xupáp; 18 – Xéc măng; 19 – Chốt piston; 20 – Thanh truyền; 21 – Phớt
chắn dầu; 22 – Đuôi trục khuỷu; 23 – Đai ốc; 24 – Bạc lót; 25 – Chốt khuỷu; 26 – Cổ trục khuỷu.
3.1. Các chi tiết của hệ thống cơ cấu phân phối khí động cơ Z6:
3.1.1. Sơ đồ bố trí xupáp và nguyên lý làm việc của cơ cấu phân phối khí:
Cơ cấu phân phối khí của động cơ dùng xupáp treo vì cơ cấu phân phối khí này
có nhiều ưu điểm hơn so với cơ cấu phân phối khí xupáp đặt. Ưu điểm của kiểu bố
trí này là làm cho buồng cháy động cơ nhỏ gọn, diện tích mặt truyền nhiệt nhỏ vì
vậy giảm được tổn thất nhiệt. Khả năng chống kích nổ được cải thiện nhiều nên có
thể tăng tỷ số nén lên 0,5  2 so với khi dùng cơ cấu phân phối khí xupáp đặt. Cơ
cấu phân phối khí dùng xupáp treo làm cho đường thải và đường nạp thanh thoát
hơn làm cho sức cản khí động giảm nhỏ. Mỗi xilanh của động cơ được bố trí bởi 4
xupáp (2 hút, 2 xả) làm tăng diện tích tiết diện lưu thông, hệ số nạp tăng lên 5  7%
và giảm được đường kính nấm xupáp, khiến cho các xupáp không bị quá nóng và
tăng được sức bền. Các xupáp được bố trí thành 2 dãy (một dãy xupáp nạp và một
dãy xupáp xả). Các đường ống nạp và ống thải bố trí về một phía để ống thải có thể
sấy nóng ống nạp khiến nhiên liệu dễ bay hơi.
* Nguyên lý làm việc: Nguyên lý làm việc của cơ cấu phân phối khí được chia làm
hai quá trình cơ bản sau: Quá trình vấu cam đẩy mở xupáp và quá trình lò xo giãn đóng kín xupáp.
Quá trình vấu cam đẩy mở xupáp: 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 trung gian (6) dẫn động các bánh xích (10) lắp ở đầu các
trục cam do đó làm cho các trục cam đóng mở xupáp quay. Khi các vấu cam tiếp
xúc với con đội (13). Con đội bắt đầu chuyển động đi xuống tác động vào đuôi
xupáp (4) ép lò xo xupáp (15) nén lại đồng thời xupáp chuyển động đi xuống làm
mở các cửa nạp (nếu trong giai đoạn nạp khí vào xilanh động cơ) và cửa thải (trong
quá trình thải) thực hiện quá trình nạp môi chất mới và thải khí cháy ra ngoài. 17
Thiết kế cơ cấu phân phối khí động cơ Z6 trên xe Ford Focus
Quá trình lò xo giãn đóng kín xupáp: 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 (13) bắt đầu di chuyển đi lên, lò xo xupáp (15) từ từ giãn ra nhờ vào đế
chặn lò xo (14) cùng với các móng hãm (16) đẩy xupáp tịnh tiến về vị trí ban đầu
thực hiện quá trình đóng kín xupáp. Chu trình đóng mở được lặp đi lặp lại như vậy
tuân theo chu kì làm việc của pha phân phối khí. 9 10 11 12 13 14 15 16 17 8 7 6 5 4 3 2 1 18 19 23 22 21 20
Hình 3-2 Sơ đồ bố trí xupáp.
1 – Xéc măng; 2 – Piston; 3 – Đế xupáp; 4 – Xupáp; 5 – Ống dẫn hướng; 6 – Xích
dẫn động; 7 – Vỏ bộ xoay cam; 8 – Cánh xoay; 9 – Bulông cố định bánh răng cam;
10 – Đĩa xích dẫn động trục cam; 11 – Đường dẫn dầu bôi trơn; 12 – Trục cam;
13 – Con đội; 14 – Đĩa chặn lò xo; 15 – Lò xo xupáp; 16 – Móng hãm; 17 – Vòng
chắn dầu; 18 – Nắp cổ trục cam; 19 - Vấu cam nạp; 20 – Đường ống hút; 21 –
Đường ống xả; 22 – Đế chặn lò xo; 23 – Vấu cam thải.
3.1.2. Phương án dẫn động trục cam: 18
Thiết kế cơ cấu phân phối khí động cơ Z6 trên xe Ford Focus
Trục cam được bố trí phía trên nắp xilanh, khoảng cách giữa trục cam và trục
khuỷu là rất lớn, nếu dùng phương pháp dẫn động bằng bánh răng sẽ rất phức tạp,
cơ cấu dẫn động trở nên cồng kềnh, khi làm việc sẽ có tiếng ồn, vì thế trong trường
hợp này trục cam được sẽ được dẫn động bằng xích.
Xích được làm bằng thép hợp kim có sức bền rất cao và khi hoạt động không
gây nên tiếng ồn. Loại dẫn động này có nhiều ưu điểm như: Kết cấu gọn nhẹ, có thể
dẫn động được trục cam ở khoảng cách lớn. Tuy nhiên dùng phương án dẫn động
này giá thành cao. Hơn nữa khi phụ tải và tốc độ thay đổi đột ngột xích dễ bị rung
động. Sau một thời gian sử dụng xích thường bị rơ gây nên tiếng ồn và làm sai lệch
pha phân phối khí. Để giữ cho xích luôn được căng phải dùng thêm cơ cấu căng
xích. Để chống rung dùng thêm bộ dẫn hướng cho xích.
Bánh răng dẫn động xích được lắp ở đầu trục khuỷu. Phía đầu trục khuỷu có
biên độ dao động xoắn lớn vì vậy khi lắp theo kiểu này làm cho hệ thống phân phối
khí chịu dao dộng xoắn làm sai lệch pha phân phối và chịu tải trọng phụ do dao
động đó gây nên. Ngoài ra khi trục cam bị ảnh hưởng của dao động xoắn thì góc
phun sớm hoặc góc đánh lửa sớm cũng bị ảnh hưởng. Tuy vậy khi lắp bánh răng ở
đuôi trục khuỷu sẽ làm cho kết cấu dẫn động trở nên phức tạp.
Hình 3-3 Dẫn động trục cam.
1 - Lò xo vấu hãm; 2 – Vấu hãm; 3 – Piston; 4 – Lò xo; 5 – Van bi; 6 – Đĩa xích
dẫn động trục cam nạp; 7 – Đĩa xích dẫn động cam thải; 8 – Bộ căng xích; 9 – Đĩa
xích chủ động; 10 – Xích dẫn động; 11 – Thanh dẫn hướng. 19