Động cơ đốt trong trên xe ô tô hoạt động dựa trên một chu trình tuần hoàn gồm các kỳ nạp, nén, nổ và xả. Để chu trình này diễn ra nhịp nhàng và hiệu quả, cần có một bộ phận đóng vai trò điều phối dòng chảy của hỗn hợp khí và khí thải ra vào buồng đốt đúng thời điểm. Đó chính là cơ cấu phân phối khí, một thành phần then chốt quyết định hiệu suất vận hành của động cơ. Việc hiểu rõ về hệ thống này giúp người sử dụng xe có cái nhìn sâu sắc hơn về nguyên lý hoạt động của động cơ và tầm quan trọng của việc bảo dưỡng.
Vai trò then chốt của cơ cấu phân phối khí
Trong mọi động cơ đốt trong, cơ cấu phân phối khí đảm nhiệm chức năng cực kỳ quan trọng: kiểm soát quá trình nạp không khí (hoặc hỗn hợp hòa khí) vào bên trong xi lanh và đẩy khí thải ra môi trường sau khi quá trình đốt cháy kết thúc. Hoạt động đóng mở các cửa nạp và cửa xả của hệ thống này cần phải cực kỳ chính xác, đồng bộ với chuyển động của piston và trục khuỷu để đảm bảo hiệu suất động cơ đạt mức tối ưu. Sai sót dù nhỏ trong thời điểm đóng mở van cũng có thể gây giảm công suất, tăng tiêu hao nhiên liệu hoặc thậm chí là hỏng hóc nghiêm trọng.
Cơ cấu phân phối khí điều khiển dòng khí động cơ
Nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ thống phân phối khí
Nguyên lý hoạt động của cơ cấu phân phối khí dựa trên sự liên kết cơ học với trục khuỷu của động cơ thông qua hệ thống bánh răng, xích hoặc đai truyền động. Chuyển động quay của trục khuỷu được truyền đến trục cam. Trên trục cam có các vấu cam được thiết kế đặc biệt. Khi trục cam quay, các vấu cam sẽ tác động lên con đội, đũa đẩy (nếu có) và cần mở xupap, làm cho các xupap nạp và xupap xả đóng mở theo đúng thứ tự và thời gian đã được tính toán trước. Sự đồng bộ này đảm bảo rằng cửa nạp mở khi piston đi xuống ở kỳ nạp để hút khí vào, và cửa xả mở khi piston đi lên ở kỳ xả để đẩy khí thải ra ngoài.
Các thành phần chính tạo nên cơ cấu phân phối khí
Hệ thống phân phối khí được cấu thành từ nhiều bộ phận phức tạp phối hợp với nhau để thực hiện chức năng đóng mở van. Mỗi chi tiết đều có vai trò riêng biệt và cần hoạt động chính xác.
Trục cam
Trục cam là bộ phận trung tâm của cơ cấu phân phối khí, là một thanh thép hình trụ dài với các vấu cam lồi ra. Số lượng và hình dạng của các vấu cam, cũng như khoảng cách giữa chúng, được tính toán tỉ mỉ để xác định thời điểm, khoảng thời gian và biên độ mở của xupap nạp và xupap xả cho từng xi lanh. Vị trí bố trí các vấu cam trên trục phụ thuộc vào thứ tự nổ của động cơ và loại cơ cấu phân phối khí được sử dụng. Trục cam thường được dẫn động từ trục khuỷu thông qua xích cam, đai cam hoặc bánh răng.
Xupap và chức năng
Xupap đóng vai trò như những chiếc van trong buồng đốt. Có hai loại xupap chính: xupap nạp (cho phép hỗn hợp khí đi vào) và xupap xả (cho phép khí thải thoát ra). Chúng được làm từ vật liệu chịu nhiệt độ và áp suất cực cao, thường là hợp kim thép đặc biệt để chống lại môi trường khắc nghiệt bên trong buồng đốt. Đầu xupap có hình dạng côn để ăn khớp kín với đế xupap trên nắp quy lát, đảm bảo buồng đốt được làm kín hoàn toàn trong các kỳ nén, nổ và đầu kỳ nạp/cuối kỳ xả.
<>Xem Thêm Bài Viết:<>- Tìm hiểu về Xanh SM: Dịch vụ taxi điện hàng đầu Việt Nam
- Bảng giá sơn xe ô tô chi tiết và kinh nghiệm
- **Thu phí tự động VETC là gì**: Giải đáp chi tiết
- Khám Phá Nội Thất và Tính Năng VinFast EC Van
- Du lịch Hoa Liên – Đài Loan: Cẩm nang tự lái
Lò xo xupap và bộ phận khác
Lò xo xupap có nhiệm vụ cực kỳ quan trọng là đẩy xupap trở về vị trí đóng ngay sau khi vấu cam ngừng tác động. Lực đàn hồi của lò xo cần đủ mạnh để thắng được lực quán tính của xupap và các chi tiết liên quan ở tốc độ động cơ cao, đồng thời đảm bảo xupap đóng kín. Thường là lò xo trụ có bước xoắn thay đổi để giảm thiểu hiện tượng cộng hưởng gây rung động hoặc gãy lò xo. Ngoài ra, hệ thống còn có con đội (tappi) tiếp xúc trực tiếp với vấu cam, đũa đẩy (trong một số loại cơ cấu) và cần mở xupap (cò mổ), cùng với các chi tiết giữ như móng hãm để cố định lò xo và xupap. Khe hở xupap, khoảng cách nhỏ giữa đuôi xupap và cơ cấu truyền động khi xupap đóng hoàn toàn, cần được điều chỉnh chính xác để đảm bảo xupap đóng kín ở mọi nhiệt độ hoạt động.
Phân loại cơ cấu phân phối khí phổ biến trên ô tô
Có nhiều cách phân loại cơ cấu phân phối khí, nhưng phổ biến nhất dựa vào vị trí bố trí của xupap và trục cam.
Cơ cấu dùng xupap đặt
Ở loại cơ cấu phân phối khí này, xupap được đặt ở thân máy (khối xi lanh), bên cạnh các xi lanh. Trục cam cũng thường được đặt ở thân máy, ngay phía dưới các xupap. Vấu cam tác động trực tiếp hoặc gián tiếp (qua con đội ngắn) lên đuôi xupap để mở van. Loại này có cấu tạo khá đơn giản, nhưng hình dạng buồng đốt thường không tối ưu cho hiệu suất cháy và luồng khí nạp/thải, dẫn đến hiệu suất động cơ không cao bằng các loại xupap treo.
Cơ cấu dùng xupap treo
Đây là loại cơ cấu phân phối khí phổ biến nhất hiện nay. Xupap được bố trí ở trên đỉnh buồng đốt, đặt trên nắp quy lát (nắp máy). Trục cam có thể được đặt ở thân máy (OHV – Overhead Valve) hoặc trên nắp quy lát (OHC – Overhead Camshaft). Hệ thống OHC, đặc biệt là DOHC (Double Overhead Camshaft – hai trục cam trên nắp quy lát, một cho xupap nạp, một cho xupap xả), cho phép bố trí xupap tối ưu hơn (thường là 4 xupap trên mỗi xi lanh thay vì 2), tạo hình dạng buồng đốt hiệu quả hơn, luồng khí vào/ra dễ dàng hơn, từ đó cải thiện công suất, mô-men xoắn và hiệu quả sử dụng nhiên liệu. Cơ cấu DOHC không cần đũa đẩy, giảm khối lượng chuyển động và cho phép tốc độ động cơ cao hơn.
Cơ cấu dùng van trượt và hỗn hợp
Ngoài xupap, một số loại động cơ (thường là động cơ 2 kỳ hoặc động cơ diesel cỡ lớn) có thể sử dụng van trượt hoặc kết hợp cả xupap và van trượt. Cơ cấu phân phối khí dùng van trượt có cấu tạo đơn giản hơn nhưng thường kém hiệu quả về tiêu thụ nhiên liệu và kiểm soát khí thải. Loại cơ cấu hỗn hợp thường thấy ở động cơ diesel 2 kỳ, nơi piston đóng vai trò như van trượt để mở/đóng cửa nạp (cửa thổi), còn xupap được sử dụng để mở/đóng cửa xả.
Tầm quan trọng của bảo dưỡng định kỳ cơ cấu phân phối khí
Vì hoạt động liên tục trong điều kiện nhiệt độ cao và tải trọng lớn, cơ cấu phân phối khí cần được kiểm tra và bảo dưỡng định kỳ. Việc điều chỉnh khe hở xupap đúng tiêu chuẩn kỹ thuật là cực kỳ quan trọng. Khe hở quá lớn có thể gây tiếng ồn bất thường, giảm hành trình mở xupap làm giảm hiệu suất nạp/xả và công suất động cơ. Ngược lại, khe hở quá nhỏ hoặc không có khe hở có thể khiến xupap không đóng kín khi động cơ nóng lên do giãn nở nhiệt, dẫn đến lọt khí, mất nén, cháy rỗ xupap và đế xupap. Bôi trơn đầy đủ cho trục cam và các chi tiết liên quan cũng giúp giảm ma sát và kéo dài tuổi thọ bộ phận.
Dấu hiệu nhận biết cơ cấu phân phối khí gặp vấn đề
Khi cơ cấu phân phối khí gặp trục trặc, động cơ thường sẽ xuất hiện các dấu hiệu cảnh báo. Tiếng động bất thường từ khu vực nắp quy lát, nghe rõ nhất khi động cơ chạy không tải hoặc ở tốc độ thấp, có thể là dấu hiệu của khe hở xupap sai lệch hoặc các chi tiết khác bị mòn. Giảm hiệu suất động cơ, khó khởi động, chạy không tải không ổn định, hoặc tăng mức tiêu thụ nhiên liệu cũng có thể liên quan đến vấn đề với xupap bị hở hoặc sai lệch thời điểm phân phối khí. Đèn báo lỗi động cơ (check engine light) trên bảng táp-lô cũng có thể bật sáng nếu hệ thống phân phối khí bị ảnh hưởng nghiêm trọng hoặc liên quan đến cảm biến trục cam.
Cơ cấu phân phối khí là trái tim của quá trình hô hấp trong động cơ đốt trong, đảm bảo động cơ hoạt động hiệu quả và tin cậy. Hiểu rõ vai trò, cấu tạo và cách thức hoạt động của nó, cùng với việc tuân thủ lịch trình kiểm tra, điều chỉnh và bảo dưỡng định kỳ là yếu tố then chốt để duy trì sự vận hành êm ái, bền bỉ cho chiếc xe của bạn. Việc chăm sóc cơ cấu phân phối khí đúng cách sẽ giúp xe luôn hoạt động trong tình trạng tốt nhất. Ô tô Dung Bắc khuyến cáo chủ xe nên kiểm tra hệ thống này theo khuyến cáo của nhà sản xuất hoặc khi phát hiện bất kỳ dấu hiệu bất thường nào để đảm bảo an toàn và hiệu suất tối ưu.
Câu hỏi thường gặp về Cơ Cấu Phân Phối Khí
1. Cơ cấu phân phối khí là gì?
Là hệ thống các bộ phận trong động cơ đốt trong có nhiệm vụ điều khiển thời điểm, thời gian và biên độ đóng mở các xupap nạp và xả để dòng khí (hỗn hợp nhiên liệu hoặc không khí) đi vào và khí thải đi ra khỏi buồng đốt đúng lúc trong chu trình làm việc của động cơ.
2. Bộ phận quan trọng nhất trong cơ cấu phân phối khí là gì?
Trục cam và xupap là hai bộ phận cốt lõi. Trục cam điều khiển thời điểm mở van, còn xupap là van thực hiện việc đóng mở cửa nạp/xả. Sự phối hợp chính xác của chúng quyết định hiệu suất của toàn bộ hệ thống.
3. Khe hở xupap là gì và tại sao cần điều chỉnh?
Khe hở xupap là một khoảng cách nhỏ được thiết kế sẵn giữa đuôi xupap và bộ phận truyền động (như con đội hoặc cò mổ) khi xupap đóng kín hoàn toàn. Khe hở này là cần thiết để bù trừ cho sự giãn nở nhiệt của các chi tiết khi động cơ nóng lên, đảm bảo xupap luôn đóng kín ở mọi nhiệt độ hoạt động. Nếu khe hở sai lệch, xupap có thể không đóng kín hoặc không mở hết hành trình, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất động cơ.
4. Dấu hiệu nhận biết cơ cấu phân phối khí bị hỏng?
Các dấu hiệu phổ biến bao gồm tiếng ồn lạch cạch hoặc tiếng gõ bất thường từ nắp quy lát, động cơ chạy không tải không đều, giảm công suất, tăng tiêu hao nhiên liệu, khó khởi động hoặc đèn báo lỗi động cơ bật sáng.
5. Tại sao cơ cấu xupap treo (OHV, OHC, DOHC) phổ biến hơn xupap đặt?
Cơ cấu xupap treo cho phép bố trí xupap trên đỉnh buồng đốt, tạo hình dạng buồng đốt hiệu quả hơn cho quá trình cháy. Đặc biệt, các biến thể OHC và DOHC cho phép sử dụng nhiều xupap hơn trên mỗi xi lanh (ví dụ 4 xupap), cải thiện đáng kể khả năng nạp hỗn hợp khí và xả khí thải, từ đó tăng công suất và hiệu suất động cơ.
6. Van biến thiên (VVT) có liên quan đến cơ cấu phân phối khí không?
Có. Hệ thống van biến thiên (Variable Valve Timing – VVT) là một công nghệ hiện đại được tích hợp vào cơ cấu phân phối khí để thay đổi thời điểm đóng mở xupap tùy thuộc vào tốc độ và tải trọng của động cơ. Điều này giúp tối ưu hiệu suất động cơ trên toàn dải vòng tua, cải thiện cả công suất, mô-men xoắn và hiệu quả tiêu thụ nhiên liệu.
7. Bao lâu thì cần kiểm tra hoặc điều chỉnh cơ cấu phân phối khí?
Tần suất kiểm tra và điều chỉnh khe hở xupap phụ thuộc vào loại động cơ và khuyến cáo của nhà sản xuất xe. Một số động cơ hiện đại có con đội thủy lực tự điều chỉnh khe hở, không cần điều chỉnh định kỳ. Tuy nhiên, với các động cơ dùng con đội cơ, việc kiểm tra và điều chỉnh thường được khuyến cáo sau mỗi vài chục nghìn kilômét hoạt động (ví dụ 40.000 – 60.000 km). Luôn tham khảo sách hướng dẫn sử dụng xe của bạn để biết lịch bảo dưỡng chính xác.