Vai trò và cấu tạo của hệ thống phân phối khí trong động cơ

Hệ thống phân phối khí là bộ phận quan trọng trong động cơ đốt trong, đảm nhiệm việc điều khiển van nạp và van xả. Việc hiểu rõ vai trò, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống này giúp tăng hiệu suất vận hành và kéo dài tuổi thọ động cơ ô tô.

Vai Trò và Tầm Quan Trọng Của Hệ Thống Phân Phối Khí

Hệ Thống Phân Phối Khí có nhiệm vụ đóng mở các van nạp và van xả (xupap) đúng thời điểm trong chu trình làm việc của động cơ. Điều này đảm bảo hỗn hợp không khí và nhiên liệu được nạp đầy đủ vào buồng đốt trong kỳ nạp, và khí thải sau quá trình cháy được đẩy sạch ra ngoài trong kỳ xả. Sự hoạt động chính xác của hệ thống này ảnh hưởng trực tiếp đến:

• Hiệu suất động cơ: Khả năng nạp đầy và thải sạch giúp động cơ đạt công suất tối ưu.
• Tiết kiệm nhiên liệu: Phân phối khí hiệu quả giảm thiểu hao phí năng lượng.
• Mức độ ô nhiễm: Kiểm soát khí thải ra môi trường.
• Độ bền động cơ: Ngăn ngừa va chạm giữa xupap và piston, bảo vệ các chi tiết máy.

Hệ Thống Phân Phối Khí chính là ‘lá phổi’ của động cơ. Nếu phổi hoạt động không hiệu quả, cơ thể sẽ yếu đi. Tương tự, một hệ thống phân phối khí được điều chỉnh không chính xác sẽ khiến động cơ ‘hụt hơi’, tiêu hao nhiên liệu nhiều hơn và tuổi thọ giảm đáng kể.

Cấu Tạo Chi Tiết Của Hệ Thống Phân Phối Khí

Mặc dù có nhiều biến thể, hệ thống phân phối khí nói chung bao gồm các bộ phận chính sau:

Xupap (Van)

Đây là bộ phận trực tiếp đóng mở đường nạp và đường xả. Mỗi xy lanh thường có ít nhất một xupap nạp và một xupap xả.

• Xupap nạp: Lớn hơn xupap xả, cho phép nạp nhiều hòa khí hơn.
• Xupap xả: Nhỏ hơn, chịu nhiệt độ cao do tiếp xúc trực tiếp với khí cháy.

Trục Cam (Camshaft)

Trục cam là trái tim của hệ thống phân phối khí, có các vấu cam được thiết kế đặc biệt để mở và đóng xupap theo một trình tự và thời gian chính xác.

• Vấu cam: Mỗi vấu cam có hình dạng đặc trưng để điều khiển độ mở, thời điểm mở và đóng xupap.
• Bạc lót/ổ đỡ: Giúp trục cam quay trơn tru.

Cơ Cấu Dẫn Động Trục Cam

Đây là bộ phận truyền chuyển động quay từ trục khuỷu đến trục cam.

• Dây đai cam (cam belt) hoặc xích cam (timing chain): Phổ biến nhất. Dây đai cam hoạt động êm ái hơn nhưng cần thay thế định kỳ. Xích cam bền hơn nhưng có thể gây tiếng ồn nếu bị giãn.
• Để hiểu rõ hơn về [xích cam là gì], bạn có thể tìm hiểu thêm về cấu tạo và vai trò của nó trong hệ thống truyền động.
• Bánh răng cam: Truyền chuyển động từ dây đai/xích cam đến trục cam.

Các Chi Tiết Trung Gian

Tùy thuộc vào loại hệ thống, có thể bao gồm:

• Con đội (Tappet/Lifter): Nằm giữa vấu cam và thân xupap/cò mổ, truyền chuyển động từ cam.
• Đũa đẩy (Pushrod): Sử dụng trong các hệ thống OHV (Overhead Valve), truyền chuyển động từ con đội đến cò mổ.
• Cò mổ (Rocker Arm): Đòn bẩy truyền lực từ trục cam (hoặc đũa đẩy) đến xupap.
• Lò xo xupap: Giữ xupap đóng kín khi không bị vấu cam tác động, đảm bảo xupap trở về vị trí ban đầu sau khi mở.

Nguyên Lý Hoạt Động Của Hệ Thống Phân Phối Khí

Nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ thống phân phối khí dựa trên sự đồng bộ giữa trục cam và trục khuỷu. Trục cam quay với tốc độ bằng một nửa tốc độ trục khuỷu (đối với động cơ 4 kỳ). Khi trục cam quay, các vấu cam sẽ tác động lên con đội, đũa đẩy (nếu có), cò mổ, từ đó mở xupap. Khi vấu cam đi qua, lò xo xupap sẽ đẩy xupap trở về vị trí đóng.

Thời điểm mở/đóng xupap được tính toán chính xác để tối ưu hóa quá trình nạp/thải, đồng bộ với chuyển động lên xuống của piston trong từng kỳ của động cơ.

Các Loại Hệ Thống Phân Phối Khí Phổ Biến Hiện Nay

Với sự phát triển của công nghệ ô tô, hệ thống phân phối khí cũng có nhiều loại khác nhau:

Hệ Thống Phân Phối Khí Xupap Đặt (OHV – Overhead Valve)

• Cấu tạo: Trục cam đặt trong thân máy, dùng đũa đẩy và cò mổ để tác động lên xupap đặt trên nắp máy.
• Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, dễ sửa chữa.
• Nhược điểm: Khối lượng các chi tiết chuyển động lớn, quán tính cao, khó đạt tốc độ vòng quay cao, độ chính xác không bằng các hệ thống mới. Hiện ít được dùng trên xe du lịch hiện đại.

Hệ Thống Phân Phối Khí Xupap Treo (OHC – Overhead Camshaft)

Đây là loại phổ biến nhất hiện nay. Trục cam được đặt trực tiếp trên nắp máy, gần xupap, giúp giảm thiểu các chi tiết trung gian.

• SOHC (Single Overhead Camshaft): Chỉ có một trục cam trên nắp máy, điều khiển cả xupap nạp và xả thông qua cò mổ.
  • Ưu điểm: Đơn giản hơn DOHC, giảm chi phí sản xuất, vẫn hiệu quả ở dải vòng tua thấp đến trung bình.
  • Nhược điểm: Khó tối ưu hóa riêng biệt cho nạp và xả, giới hạn ở vòng tua cao.
• DOHC (Double Overhead Camshaft): Có hai trục cam trên nắp máy, một trục cam chuyên điều khiển xupap nạp, một trục cam chuyên điều khiển xupap xả.
  • Ưu điểm: Kiểm soát chính xác thời điểm nạp/xả, tối ưu hóa dòng khí, tăng công suất và hiệu quả ở mọi dải vòng tua, đặc biệt là vòng tua cao.
  • Nhược điểm: Cấu tạo phức tạp hơn, chi phí sản xuất và sửa chữa cao hơn.

Hệ Thống Phân Phối Khí Biến Thiên (Variable Valve Timing – VVT)

Đây là công nghệ tiên tiến cho phép thay đổi thời điểm mở/đóng và/hoặc độ nâng của xupap theo điều kiện vận hành của động cơ (tốc độ, tải trọng). Các công nghệ phổ biến bao gồm VVT-i (Toyota), VTEC (Honda), VANOS (BMW), vv.

• Ưu điểm: Tối ưu hóa hiệu suất, tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải ở mọi dải vòng tua và tải trọng động cơ.
• Nhược điểm: Phức tạp hơn, chi phí sản xuất và bảo dưỡng cao.

Các Lỗi Thường Gặp và Cách Khắc Phục

Hệ thống phân phối khí là bộ phận chịu nhiều tải trọng và ma sát, do đó không tránh khỏi những lỗi sau một thời gian sử dụng:

Mòn trục cam, cò mổ, con đội: Gây ra tiếng ồn lạch cạch từ động cơ, giảm hiệu suất do xupap mở không đủ hoặc không đúng thời điểm.

• Nguyên nhân: Thiếu dầu bôi trơn, dầu bẩn, vật liệu kém chất lượng hoặc tuổi thọ cao.
• Khắc phục: Thay thế chi tiết bị mòn.

Kẹt xupap, hở xupap: Gây mất áp suất buồng đốt, động cơ yếu, khó nổ, tiếng gõ bất thường.

• Nguyên nhân: Muội than bám, cong thân xupap, lò xo xupap yếu/gãy.
• Khắc phục: Vệ sinh, mài rà xupap, thay thế lò xo hoặc xupap nếu cần.

Dây đai cam/xích cam bị giãn hoặc đứt: Nếu dây đai/xích cam bị đứt, trục cam sẽ ngừng quay, xupap không đóng mở, piston có thể va chạm với xupap gây hư hỏng nghiêm trọng cho động cơ.

• Nguyên nhân: Tuổi thọ, quá tải, lắp đặt không đúng kỹ thuật.
• Khắc phục: Thay thế dây đai/xích cam định kỳ theo khuyến nghị của nhà sản xuất. Nếu đã đứt và gây va chạm, cần kiểm tra và sửa chữa toàn bộ động cơ.

Hỏng bộ điều khiển VVT (nếu có): Gây ra đèn báo lỗi động cơ, động cơ hoạt động không ổn định, tiêu hao nhiên liệu.

• Nguyên nhân: Dầu bẩn, lỗi cảm biến, hỏng van điện từ.
• Khắc phục: Kiểm tra, vệ sinh, hoặc thay thế bộ phận bị lỗi.

Hệ thống phân phối khí là một trong những thành phần quan trọng nhất, quyết định sự sống còn và hiệu suất của động cơ ô tô. Việc hiểu rõ cấu tạo, nguyên lý và các loại hình của nó không chỉ giúp những người yêu xe thêm kiến thức. Hãy liên hệ qua số điện thoại 090 119 26 99 hoặc truy cập Trung tâm VCE để khám phá các khóa học phù hợp với đam mê của bạn và bắt đầu hành trình chinh phục ngành công nghệ kỹ thuật ô tô.