Trong lĩnh vực động cơ ô tô, hệ thống phân phối khí đóng vai trò then chốt trong việc kiểm soát quá trình nạp – xả của xi lanh. Hai dạng cơ bản và phổ biến nhất chính là OHV (Overhead Valve) và OHC (Overhead Camshaft). Mỗi hệ thống đều có đặc điểm, ưu – nhược điểm riêng, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất động cơ. Cùng VATC tìm hiểu chi tiết để nắm vững kiến thức nền tảng này.
1. Khái niệm hệ thống phân phối khí
Hệ thống phân phối khí là một trong những cơ cấu quan trọng nhất của động cơ đốt trong, có nhiệm vụ điều khiển quá trình nạp hỗn hợp hòa khí (hoặc không khí) vào xi-lanh và thải khí cháy ra ngoài theo đúng thời điểm và chu kỳ công tác của động cơ. Hoạt động chính xác của hệ thống này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất, công suất, mô-men xoắn, mức tiêu hao nhiên liệu và lượng khí thải của động cơ.
2. Nhiệm vụ chính
- Nạp: Khi piston đi xuống trong kỳ nạp, hệ thống phân phối khí phải mở xupap nạp để hút hỗn hợp hòa khí (đối với động cơ xăng) hoặc không khí (đối với động cơ diesel) vào buồng đốt.
- Nén: Xupap nạp và xả phải đóng kín để đảm bảo không khí/hòa khí không bị thất thoát khi piston đi lên nén.
- Cháy/Sinh công: Cả hai xupap đều đóng kín để giữ áp suất cháy cao nhất, đẩy piston đi xuống sinh công.
- Xả: Khi piston đi lên trong kỳ xả, hệ thống phân phối khí phải mở xupap xả để đẩy khí cháy ra ngoài.
Toàn bộ quá trình đóng mở xupap này phải được đồng bộ hóa một cách chính xác với chuyển động của piston và trục khuỷu, thường là trục cam quay 1 vòng thì trục khuỷu quay 2 vòng.
3. Các chi tiết
- Trục cam (Camshaft): Là trái tim của hệ thống, trên đó có các vấu cam được định hình chính xác. Trục cam biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến để mở xupap.
- Bánh răng cam/Puli cam (Cam Sprocket/Pulley): Được gắn ở đầu trục cam, nhận chuyển động từ trục khuỷu.
- Xích cam/Đai cam (Timing Chain/Timing Belt): Truyền động quay từ trục khuỷu đến trục cam, đảm bảo đồng bộ hóa.
- Bộ căng xích/đai (Tensioner) và Bánh dẫn hướng (Idler Pulley): Duy trì độ căng và định hướng cho xích/đai.
- Con đội (Lifter/Tappet): Truyền chuyển động từ vấu cam, có thể là con đội cơ khí hoặc thủy lực.
- Đũa đẩy (Pushrod): Chỉ có trong hệ thống OHV, truyền chuyển động từ con đội lên cò mổ.
- Cò mổ (Rocker Arm): Là đòn bẩy truyền lực từ vấu cam/đũa đẩy đến xupap.
- Xupap (Valve – nạp và xả): Các chi tiết hình nấm, mở ra để cho khí vào/ra và đóng kín để giữ áp suất.
- Lò xo xupap (Valve Spring): Đẩy xupap về vị trí đóng kín và giữ xupap ép chặt vào đế.
- Ống dẫn hướng xupap (Valve Guide) và Đế xupap (Valve Seat): Dẫn hướng và tạo bề mặt kín cho xupap.
- Phớt chặn dầu xupap (Valve Stem Seal): Ngăn dầu lọt vào buồng đốt.
4. Các loại hệ thống phân phối khí
4.1 Hệ thống phân phối khí OHV (Overhead Valve / Pushrod Engine)
Hệ thống phân phối khí OHV là loại cơ cấu phân phối khí mà trong đó, trục cam (camshaft) được đặt trong thân máy (engine block), còn xupap (valve) được đặt trên nắp máy (cylinder head). Để truyền chuyển động từ trục cam lên xupap, hệ thống này sử dụng một bộ phận trung gian là đũa đẩy (pushrod).
4.1.1 Các chi tiết cấu thành
- Trục cam (Camshaft): Đặt trong thân máy, được dẫn động từ trục khuỷu thông qua bánh răng cam (timing gear) hoặc xích cam (timing chain). Trên trục cam có các vấu cam (cam lobes).
- Con đội (Lifter/Tappet): Nằm giữa vấu cam và đũa đẩy. Khi vấu cam quay, nó đẩy con đội tịnh tiến. Con đội có thể là loại cơ khí (solid lifter) hoặc thủy lực (hydraulic lifter). Con đội thủy lực có khả năng tự động điều chỉnh khe hở xupap.
- Đũa đẩy (Pushrod): Là một thanh kim loại dài, nhẹ (thường rỗng bên trong để giảm trọng lượng), truyền chuyển động tịnh tiến từ con đội lên cò mổ.
- Cò mổ (Rocker Arm): Đặt trên nắp máy, có một trục xoay. Một đầu cò mổ tì vào đầu đũa đẩy, đầu còn lại tì vào đuôi xupap. Cò mổ biến chuyển động tịnh tiến của đũa đẩy thành chuyển động ấn xuống để mở xupap.
- Xupap (Valve – nạp và xả): Đặt trên nắp máy, đóng mở cửa nạp/xả.
- Lò xo xupap (Valve Spring): Đặt xung quanh thân xupap, đẩy xupap về vị trí đóng khi không chịu lực tác động từ cò mổ.
- Ống dẫn hướng xupap (Valve Guide) và Đế xupap (Valve Seat): Dẫn hướng cho xupap và tạo bề mặt kín khi xupap đóng.
- Phớt chặn dầu xupap (Valve Stem Seal): Ngăn dầu bôi trơn từ nắp máy lọt xuống buồng đốt.
4.1.2 Ưu điểm và nhược điểm
Ưu điểm:
Đơn giản trong cấu tạo và sản xuất:
- Ít phức tạp hơn so với hệ thống OHC (trục cam đặt trên nắp máy).
- Trục cam đặt dưới thân máy, cho phép việc chế tạo đầu xi-lanh đơn giản hơn.
- Chi phí sản xuất động cơ thấp hơn.
Dễ bảo dưỡng và sửa chữa:
- Do trục cam nằm ở vị trí dễ tiếp cận (trong thân máy), việc bảo dưỡng hoặc sửa chữa liên quan đến trục cam hoặc con đội thường dễ dàng hơn một chút so với OHC (mặc dù việc tiếp cận xupap và cò mổ vẫn tương tự).
Gọn nhẹ chiều cao động cơ (ở một số thiết kế):
- Mặc dù có đũa đẩy, nhưng việc không có trục cam cồng kềnh trên đỉnh nắp máy có thể giúp thiết kế động cơ gọn hơn về chiều cao tổng thể, đặc biệt với các động cơ V (V6, V8) nơi trục cam có thể được đặt sâu trong góc chữ V. Điều này giúp dễ dàng bố trí động cơ trong khoang máy.
Độ bền và độ tin cậy cao:
- Với ít bộ phận chuyển động nhanh hơn và đơn giản hơn ở phần đỉnh động cơ, hệ thống OHV thường rất bền bỉ và đáng tin cậy.
Nhược điểm:
Hạn chế tốc độ vòng quay động cơ (RPM):
- Đây là nhược điểm lớn nhất. Do có nhiều chi tiết trung gian (con đội, đũa đẩy, cò mổ) giữa trục cam và xupap, tổng khối lượng và quán tính của các chi tiết này lớn.
- Ở tốc độ vòng quay cao, các chi tiết này không thể phản ứng đủ nhanh, dễ gây ra hiện tượng “valve float” (xupap bị nổi, không đóng kín hoàn toàn hoặc không theo kịp chuyển động của cam), dẫn đến mất kiểm soát xupap, giảm công suất, hoặc thậm chí làm hỏng động cơ.
Do đó, động cơ OHV thường có vòng tua tối đa thấp hơn so với động cơ OHC.
Giảm hiệu suất nạp/xả:
- Đường dẫn khí từ cửa nạp/xả đến xupap thường dài và có nhiều khúc cua hơn so với OHC, gây cản trở dòng khí.
- Khó tối ưu hóa hình dạng buồng đốt và góc đặt xupap để đạt được hiệu suất dòng chảy khí tối đa.
- Thường chỉ sử dụng 2 xupap trên mỗi xi-lanh, hạn chế diện tích cửa nạp/xả so với 4 xupap của DOHC.
Tiếng ồn hoạt động:
- Do có nhiều chi tiết chuyển động và ma sát trong quá trình truyền lực, hệ thống OHV có thể tạo ra tiếng ồn cơ khí lớn hơn so với OHC.
Khó tích hợp các công nghệ biến thiên phức tạp:
- Việc điều chỉnh thời điểm hoặc độ nâng xupap biến thiên (như VVT, VVL) trở nên phức tạp và hạn chế hơn nhiều so với hệ thống OHC. Mặc dù đã có những nỗ lực tích hợp (như hệ thống ngắt xi-lanh – cylinder deactivation), nhưng không linh hoạt bằng.
4.1.3 Ứng dụng
- Ngày nay, hệ thống OHV ít được sử dụng trong các động cơ ô tô du lịch nhỏ và trung bình, nơi hiệu suất cao, vòng tua lớn và khả năng tiết kiệm nhiên liệu là ưu tiên hàng đầu. Tuy nhiên, nó vẫn được ưa chuộng trong:
Động cơ xe tải, xe bán tải, SUV cỡ lớn:
- Đặc biệt là các động cơ V8 của General Motors (GM LS series) và Chrysler (Hemi engine). Trong các ứng dụng này, ưu tiên là mô-men xoắn mạnh ở vòng tua thấp, độ bền bỉ, và chi phí sản xuất thấp, nơi nhược điểm về vòng tua không quá quan trọng.
Động cơ công nghiệp, máy phát điện, máy nông nghiệp:
- Nơi sự đơn giản, độ bền và chi phí vận hành thấp được ưu tiên hơn hiệu suất vòng tua cao. Một số động cơ xe máy cổ điển hoặc động cơ đua chuyên biệt.
- Mặc dù hệ thống OHC (Overhead Camshaft) đã trở thành tiêu chuẩn cho hầu hết các động cơ ô tô du lịch hiện đại, hệ thống OHV vẫn có chỗ đứng vững chắc trong một số phân khúc và được các nhà sản xuất lớn tin dùng vì những ưu điểm đặc trưng của nó.
- Các dòng xe và thương hiệu nổi bật vẫn sử dụng (hoặc đã từng sử dụng rất phổ biến) động cơ OHV bao gồm:
General Motors (GM): Đây là hãng xe nổi tiếng nhất với việc kiên trì phát triển và sử dụng động cơ OHV, đặc biệt là dòng động cơ LS-series (Small Block Chevrolet).
Các dòng xe: Hầu hết các xe tải lớn, SUV cỡ lớn, và xe thể thao/hiệu suất cao của GM:
Chevrolet: Silverado (xe bán tải), Suburban, Tahoe, Colorado (một số phiên bản), Corvette (từ C5 đến C8, bao gồm cả động cơ LT-series mới), Camaro (phiên bản V8).
GMC: Sierra (xe bán tải), Yukon, Denali.
Cadillac: Escalade, CT5-V Blackwing.
Hummer: H2, H3 (với động cơ V8).
Lý do sử dụng: Động cơ LS nổi tiếng với độ bền cực cao, mô-men xoắn dồi dào ở vòng tua thấp, kích thước nhỏ gọn (theo chiều dọc) giúp dễ dàng đóng gói, và chi phí sản xuất tương đối thấp. Chúng cũng rất phổ biến trong cộng đồng độ xe (engine swap).
Chrysler / Stellantis (Động cơ HEMI):
Các dòng xe: Động cơ HEMI V8 của Chrysler/Dodge/Ram cũng là một ví dụ điển hình của OHV.
Dodge: Ram 1500/2500/3500 (xe bán tải), Charger, Challenger, Durango.
Chrysler: 300.
Jeep: Grand Cherokee (một số phiên bản V8), Wrangler Rubicon 392.
Lý do sử dụng: Động cơ HEMI nổi tiếng với công suất mạnh mẽ, âm thanh đặc trưng và mô-men xoắn ấn tượng, phù hợp với xe tải nặng và xe cơ bắp.
Ford (một số dòng cũ và động cơ công nghiệp):
Mặc dù Ford đã chuyển sang OHC cho hầu hết các động cơ hiện đại của mình (như Coyote V8), nhưng trong quá khứ, họ cũng sản xuất rất nhiều động cơ OHV, đặc biệt là dòng Small Block Ford huyền thoại (VD: 289, 302, 351 Windsor).
Một số động cơ công nghiệp, động cơ máy phát điện hoặc động cơ V6/V8 cũ vẫn có thể là OHV.
Các dòng xe cổ điển và xe cơ bắp:
- Hầu hết các xe cơ bắp Mỹ (muscle cars) từ thập niên 60, 70 đều sử dụng động cơ OHV V8 (Ford, Chevrolet, Pontiac, Oldsmobile, Buick, Plymouth, Dodge…).
- Xe tải và SUV đời cũ của Mỹ cũng thường dùng OHV.
4.1.4 Nguyên lý hoạt động
Để hình dung rõ hơn, hãy đi qua từng bước với các chi tiết chính:
Vị trí các thành phần:
- Trục cam (Camshaft): Đặt thấp trong thân máy động cơ (engine block), thường chạy song song với trục khuỷu.
- Con đội (Lifter/Tappet): Là các khối hình trụ nằm ngay phía trên các vấu cam trên trục cam. Con đội trượt lên xuống trong các lỗ dẫn hướng trong thân máy.
- Đũa đẩy (Pushrod): Là những thanh kim loại dài, nhẹ (thường rỗng bên trong để giảm trọng lượng), nối từ con đội lên đến cò mổ. Mỗi đũa đẩy tương ứng với một xupap.
- Cò mổ (Rocker Arm): Đặt trên nắp máy (cylinder head), có một điểm tựa xoay. Một đầu cò mổ tì vào đầu đũa đẩy, đầu còn lại tì vào đuôi xupap.
- Xupap (Valve): Nằm trên nắp máy, được giữ bởi lò xo xupap.
- Quá trình Đồng bộ hóa và Truyền động:
Truyền động từ trục khuỷu: Trục cam được dẫn động từ trục khuỷu thông qua một bộ bánh răng đồng bộ (timing gears) hoặc xích cam (timing chain). Tỷ số truyền luôn là 2:1, tức là trục khuỷu quay 2 vòng thì trục cam quay 1 vòng. Điều này đảm bảo mỗi xupap mở/đóng đúng một lần trong mỗi chu trình 4 kỳ của động cơ.
Vai trò của vấu cam: Trên trục cam có các vấu cam (cam lobes) được thiết kế với hình dạng đặc biệt, giống như hình trứng hoặc giọt nước. Mỗi vấu cam tương ứng với một xupap cụ thể (một vấu cho xupap nạp, một vấu cho xupap xả).
Quá trình Mở Xupap:
- Khi động cơ hoạt động, trục cam quay.
- Khi phần nhô cao của một vấu cam quay đến vị trí tiếp xúc với con đội tương ứng, nó sẽ đẩy con đội tịnh tiến lên trên.
- Con đội, đến lượt nó, đẩy đũa đẩy tịnh tiến lên theo.
- Đầu trên của đũa đẩy tác động vào một đầu của cò mổ. Vì cò mổ có một điểm tựa (trục cò mổ), lực đẩy từ đũa đẩy sẽ làm cò mổ xoay quanh điểm tựa đó.
- Khi cò mổ xoay, đầu còn lại của nó sẽ ấn xuống đuôi của xupap, nén lò xo xupap và đẩy xupap mở ra khỏi đế xupap, cho phép khí đi vào hoặc ra khỏi xi-lanh.
Khe hở xupap (Valve Lash/Clearance): Giữa cò mổ và đuôi xupap (hoặc con đội và vấu cam) cần có một khe hở nhỏ để bù trừ sự giãn nở nhiệt của các chi tiết khi động cơ nóng lên.
Con đội cơ khí (Solid Lifters): Khe hở này cần được điều chỉnh định kỳ (thường bằng vít điều chỉnh trên cò mổ) để đảm bảo xupap đóng kín và không bị “kẹt” khi nóng.
Con đội thủy lực (Hydraulic Lifters): Các con đội này chứa dầu và có một pít-tông nhỏ bên trong, tự động điều chỉnh khe hở bằng cách duy trì một đệm dầu. Điều này loại bỏ nhu cầu điều chỉnh định kỳ và giúp hệ thống hoạt động êm ái hơn.
Quá trình Đóng Xupap:
- Khi vấu cam tiếp tục quay qua phần nhô cao và về đến “gót cam” (base circle) (phần tròn nhất, thấp nhất của vấu cam), lực tác động lên con đội giảm đi.
- Lúc này, lò xo xupap bị nén sẽ bung ra, đẩy xupap về vị trí đóng kín.
- Đồng thời, lò xo cũng đẩy cò mổ, đũa đẩy và con đội trở về vị trí ban đầu của chúng, chờ đợi chu kỳ mở tiếp theo.
- Khi xupap đóng, đầu xupap phải ép chặt vào đế xupap trên nắp máy để đảm bảo độ kín khít cho buồng đốt.
- Toàn bộ quá trình này diễn ra liên tục và với tốc độ rất cao (hàng nghìn lần mỗi phút), tạo nên nhịp điệu đóng mở cửa “hô hấp” của động cơ.
4.2 Hệ thống phân phối khí OHC
Trong thế giới động cơ đốt trong, hệ thống phân phối khí đóng vai trò then chốt, quyết định đến hiệu suất, công suất và khả năng tiết kiệm nhiên liệu của xe. Trong số các thiết kế khác nhau, hệ thống phân phối khí Overhead Camshaft (OHC) – với trục cam đặt trên đỉnh xi lanh – đã trở thành một tiêu chuẩn vàng trong ngành công nghiệp ô tô hiện đại nhờ những ưu điểm vượt trội của nó.
OHC, viết tắt của “Overhead Camshaft”, dịch nôm na là “trục cam trên đỉnh”. Điều này có nghĩa là trục cam, bộ phận chịu trách nhiệm điều khiển đóng mở các xu-páp nạp và xả, được đặt trực tiếp trên đỉnh của nắp quy lát (cylinder head), ngay phía trên các xu-páp. Sự sắp xếp này trái ngược với các hệ thống cũ hơn như Overhead Valve (OHV) hay Pushrod Engine, nơi trục cam được đặt thấp hơn trong thân động cơ và sử dụng các thanh đẩy (pushrod) dài để tác động lên các cò mổ (rocker arm) và xu-páp.
Sự quan trọng của hệ thống OHC nằm ở khả năng tối ưu hóa quá trình nạp khí và xả khí trong buồng đốt. Việc điều khiển chính xác thời điểm, độ mở và thời gian xu-páp mở giúp động cơ đạt được hiệu suất đốt cháy tối ưu, từ đó tăng công suất, mô-men xoắn và giảm lượng khí thải độc hại.
4.2.1 Các chi tiết cấu thành
Mặc dù có nhiều biến thể (SOHC, DOHC), hệ thống OHC nói chung bao gồm các thành phần chính sau:
- Trục cam (Camshaft): Đây là trái tim của hệ thống. Trục cam có các vấu cam (cam lobe) được thiết kế với hình dạng đặc biệt. Khi trục cam quay, các vấu cam sẽ tác động lên các bộ phận trung gian để mở xu-páp. Số lượng trục cam phụ thuộc vào loại OHC (một trục cam cho SOHC, hai trục cam cho DOHC).
- Bánh răng trục cam (Camshaft sprocket) và xích/đai cam (Timing chain/belt): Trục cam được dẫn động bởi trục khuỷu thông qua một hệ thống bánh răng và xích cam (hoặc đai cam). Hệ thống này đảm bảo sự đồng bộ tuyệt đối giữa chuyển động của trục cam và trục khuỷu, duy trì thời điểm đóng mở xu-páp chính xác với vị trí của piston.
- Xu-páp (Valves): Gồm xu-páp nạp (intake valve) và xu-páp xả (exhaust valve). Xu-páp nạp cho phép hòa khí (hoặc khí nạp) đi vào buồng đốt, trong khi xu-páp xả cho phép khí thải thoát ra ngoài.
- Lò xo xu-páp (Valve springs): Các lò xo này có nhiệm vụ đẩy xu-páp trở lại vị trí đóng sau khi vấu cam không còn tác động.
- Cò mổ (Rocker arm) hoặc con đội thủy lực/cơ khí (Hydraulic/Mechanical lifters/tappets): Tùy thuộc vào thiết kế, trục cam có thể tác động trực tiếp lên con đội (thường là con đội thủy lực hoặc cơ khí hình cốc) hoặc thông qua cò mổ để mở xu-páp. Con đội thủy lực có khả năng tự động điều chỉnh khe hở xu-páp, loại bỏ nhu cầu điều chỉnh định kỳ và giảm tiếng ồn.
4.2.2 Ưu điểm và nhược điểm
Ưu điểm:
- Hệ thống OHC đã trở thành lựa chọn hàng đầu cho các động cơ hiện đại nhờ những ưu điểm vượt trội sau:
- Hiệu suất cao: Do trục cam đặt gần xu-páp, các bộ phận trung gian được giảm thiểu (hoặc loại bỏ hoàn toàn trong DOHC tác động trực tiếp), giảm thiểu tổn thất ma sát và quán tính. Điều này cho phép xu-páp hoạt động nhanh hơn và chính xác hơn, đặc biệt ở vòng tua máy cao.
- Tăng công suất và mô-men xoắn: Việc điều khiển xu-páp chính xác giúp tối ưu hóa quá trình nạp/xả, cải thiện hiệu suất thể tích và đốt cháy, từ đó tăng công suất và mô-men xoắn cho động cơ.
- Tiết kiệm nhiên liệu: Quá trình đốt cháy hiệu quả hơn cũng đồng nghĩa với việc sử dụng nhiên liệu hiệu quả hơn.
- Giảm tiếng ồn và rung động: Với ít bộ phận chuyển động hơn và cơ cấu truyền động trực tiếp hơn, hệ thống OHC thường hoạt động êm ái hơn và ít rung động hơn so với OHV.
- Khả năng kiểm soát xu-páp tốt hơn: Đặc biệt với DOHC, khả năng điều chỉnh độc lập thời điểm đóng mở xu-páp nạp và xả (như trong các hệ thống VVT – Variable Valve Timing) cho phép động cơ thích ứng với các điều kiện vận hành khác nhau, tối ưu hóa hiệu suất trên toàn dải vòng tua.
- Thiết kế gọn gàng: Mặc dù nắp quy lát có thể lớn hơn, nhưng tổng thể động cơ có thể được thiết kế gọn gàng hơn do không cần các thanh đẩy dài.
Nhược điểm:
- Độ phức tạp và chi phí sản xuất cao hơn:
- Thiết kế phức tạp: Đặc biệt là DOHC (Double Overhead Camshaft) với hai trục cam trên mỗi hàng xi lanh, hệ thống OHC có cấu tạo phức tạp hơn đáng kể so với OHV. Điều này đòi hỏi quy trình gia công nắp quy lát chính xác hơn, nhiều chi tiết hơn và lắp ráp phức tạp hơn.
- Chi phí sản xuất cao: Do sự phức tạp và số lượng chi tiết nhiều hơn, chi phí sản xuất động cơ OHC (đặc biệt là DOHC) thường cao hơn so với động cơ OHV.
- Chi phí bảo dưỡng và sửa chữa cao hơn:
- Thay thế xích/đai cam: Hệ thống OHC sử dụng xích cam (timing chain) hoặc đai cam (timing belt) để dẫn động trục cam. Đai cam làm bằng cao su cần được thay thế định kỳ theo khuyến nghị của nhà sản xuất (thường sau vài chục nghìn đến trăm nghìn km), làm tăng chi phí bảo dưỡng. Xích cam bền hơn nhưng nếu bị chùng hoặc hỏng hóc, việc thay thế cũng tốn kém và phức tạp hơn.
- Phức tạp khi sửa chữa: Do cấu tạo phức tạp và vị trí các chi tiết, việc tiếp cận và sửa chữa các bộ phận trong hệ thống phân phối khí OHC có thể khó khăn hơn, đòi hỏi kỹ năng chuyên môn cao và thời gian nhiều hơn, dẫn đến chi phí sửa chữa cao hơn.
Trọng lượng và kích thước lớn hơn (đặc biệt là DOHC):
- Nắp quy lát lớn hơn: Việc đặt trục cam trên đỉnh xi lanh khiến nắp quy lát của động cơ OHC (nhất là DOHC) thường cao và lớn hơn so với OHV. Điều này có thể ảnh hưởng đến thiết kế tổng thể của khoang động cơ.
- Trọng lượng tổng thể tăng: Mặc dù giảm các thanh đẩy, nhưng việc có thêm trục cam, bánh răng cam, xích/đai cam và các chi tiết liên quan khác có thể làm tăng trọng lượng tổng thể của hệ thống phân phối khí.
Tiếng ồn tiềm năng:
- Mặc dù nhìn chung OHC hoạt động êm ái hơn OHV do ít bộ phận chuyển động, nhưng xích cam hoặc đai cam khi hoạt động có thể tạo ra tiếng ồn nhất định. Đặc biệt nếu xích cam bị chùng hoặc bộ căng xích/đai cam gặp vấn đề, tiếng ồn có thể trở nên rõ rệt hơn.
- Mô-men xoắn thấp ở vòng tua thấp (đối với một số thiết kế DOHC không có VVT tối ưu):
- Trong một số thiết kế DOHC cũ hoặc không có hệ thống VVT (Variable Valve Timing) tối ưu, việc tối ưu hóa hiệu suất ở vòng tua cao có thể làm giảm mô-men xoắn ở vòng tua thấp. Tuy nhiên, nhược điểm này đã được khắc phục đáng kể trên các động cơ OHC hiện đại nhờ sự phát triển của công nghệ VVT, VVL (Variable Valve Lift) và các hệ thống điều khiển động cơ điện tử tiên tiến.
- Khó bố trí bugi tối ưu (đối với SOHC nhiều van):
- Đối với động cơ SOHC sử dụng nhiều van trên mỗi xi lanh (ví dụ 4 van/xi lanh), việc chỉ có một trục cam chung điều khiển cả van nạp và xả đôi khi khiến việc bố trí bugi ngay chính giữa buồng đốt trở nên khó khăn. Điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu quả đốt cháy. Tuy nhiên, DOHC khắc phục được nhược điểm này do có hai trục cam, giúp dễ dàng hơn trong việc bố trí các van và bugi tối ưu.
Tham khảo: Khoá học Kỹ thuật sửa chữa ô tô toàn diện, chất lượng từ A-Z
4.2.3 Ứng dụng
Hệ thống phân phối khí OHC (Overhead Camshaft) đã trở thành một tiêu chuẩn gần như toàn cầu trong ngành công nghiệp ô tô hiện đại nhờ những ưu điểm vượt trội của nó. Do khả năng tối ưu hóa hiệu suất, công suất và hiệu quả nhiên liệu, OHC được ứng dụng rộng rãi trên hầu hết các loại xe và động cơ hiện nay.
Xe du lịch và xe gia đình (Sedan, Hatchback, SUV cỡ nhỏ/vừa):
Phổ biến nhất: Đây là phân khúc ứng dụng OHC nhiều nhất. Hầu hết các xe du lịch, từ xe cỡ nhỏ đến xe gia đình hạng trung, đều sử dụng động cơ OHC, đặc biệt là DOHC (Double Overhead Camshaft) với 4 van mỗi xi lanh.
Lợi ích:
- Hiệu quả nhiên liệu: Giúp động cơ hoạt động hiệu quả, tiết kiệm nhiên liệu trong điều kiện giao thông đô thị và đường trường.
- Vận hành êm ái: Giảm tiếng ồn và rung động, mang lại trải nghiệm lái thoải mái cho hành khách.
- Độ tin cậy: Cấu trúc hiện đại giúp tăng tuổi thọ và độ bền của động cơ.
- Tích hợp công nghệ: Dễ dàng tích hợp các công nghệ van biến thiên (VVT, VVL) để tối ưu hóa hiệu suất ở mọi dải vòng tua.
Xe thể thao và xe hiệu suất cao:
DOHC là lựa chọn hàng đầu: Các động cơ hiệu suất cao gần như luôn sử dụng thiết kế DOHC với nhiều van mỗi xi lanh (thường là 4 hoặc hơn).
Lợi ích:
- Công suất và mô-men xoắn cao: Khả năng điều khiển xu-páp chính xác và tối ưu hóa luồng khí nạp/xả cho phép động cơ đạt công suất tối đa ở vòng tua cao.
- Vòng tua máy cao: Giảm quán tính của hệ thống xu-páp giúp động cơ hoạt động ổn định và an toàn ở vòng tua rất cao, điều cần thiết cho xe thể thao.
- Phản ứng nhanh nhạy: Hệ thống truyền động trực tiếp giúp xu-páp phản ứng tức thì với lệnh từ trục cam, mang lại khả năng tăng tốc ấn tượng.
- Tối ưu hóa đốt cháy: Khả năng bố trí bugi ở vị trí trung tâm (trong DOHC nhiều van) cải thiện hiệu quả quá trình đốt cháy.
Xe bán tải và SUV cỡ lớn:
Chuyển đổi từ OHV sang OHC: Trong quá khứ, nhiều xe bán tải và SUV cỡ lớn thường sử dụng động cơ OHV V8 nhờ mô-men xoắn mạnh mẽ ở vòng tua thấp và độ bền. Tuy nhiên, ngày nay, xu hướng chuyển sang OHC, đặc biệt là DOHC, đang ngày càng phổ biến ngay cả với các động cơ V8 dung tích lớn.
Lợi ích:
- Cân bằng giữa sức mạnh và hiệu quả: OHC mang lại sự cân bằng tốt hơn giữa công suất cao, hiệu quả nhiên liệu và khả năng kéo tải.
- Hiện đại hóa: Đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải ngày càng nghiêm ngặt và yêu cầu về hiệu suất.
- Khả năng thích ứng: Các hệ thống VVT tiên tiến trên động cơ OHC giúp tăng mô-men xoắn ở vòng tua thấp, khắc phục nhược điểm truyền thống của OHC so với OHV.
4.2.4 Thiết kế OHC
Một trong những lợi thế của nắp xilanh cam trên cao là nó loại bỏ nhu cầu về một số thành phần trong bộ van. Lắp camshaft trong nắp xilanh thay vì trong khối động cơ loại bỏ nhu cầu về lifters và pushrods. Trên một số động cơ OHC, các lobe cam chạy trực tiếp phía trên các thân van. Trên những động cơ khác, các bộ theo dõi cam hoặc cần gật và bộ điều chỉnh độ chênh áp thủy lực được sử dụng để vận hành các van.
Việc loại bỏ lifters và pushrods làm giảm trọng lượng trái phải của bộ van và lý thuyết cho phép động cơ tăng tốc nhanh hơn và tạo ra nhiều công suất hơn. Nhưng điều này cũng yêu cầu một hệ thống truyền động cam phức tạp hơn và giới hạn hàm lượng kim loại có thể được mài bỏ trên bề mặt nắp nếu nắp cần được làm phẳng lại. Việc mài quá mức thay đổi chiều cao lắp đặt của camshaft so với hệ thống truyền động cam, điều này ngược lại làm chậm thời gian van và thời gian đánh lửa (nếu các cam cũng điều khiển một bộ phân phối hoặc cảm biến vị trí trục khuỷu/camshaft).
Lắp đặt camshaft trong nắp xilanh cũng làm tăng nguy cơ sai lệch lỗ cam, điều này có thể dẫn đến cam bị kẹt và gãy. Nắp thường là phần nóng nhất của một động cơ, vì vậy nếu động cơ quá nhiệt, nắp sẽ biến dạng nhiều hơn so với khối. Nhôm không cứng như gang, cũng như không thể chịu nhiệt tốt như gang. Kết quả là, việc biến dạng, nứt, sai lệch lỗ cam và hỏng hóc cam là những vấn đề phổ biến với nhiều nắp xilanh nhôm OHC. Khi các nắp OHC nóng lên, chúng phình ra nhiều nhất ở giữa và bulge lên và ra ngoài. Điều này ảnh hưởng lớn nhất đến sự căn chỉnh của các ổ cam #2, #3 và #4. Điều này có thể gây ra biến dạng lỗ, mài mòn không đồng đều, sai lệch, có thể bị mài mòn hoặc ngay cả kẹt và gãy cam. Rất ít nắp OHC bằng nhôm có các chèn ổ.
Trong hầu hết các nắp OHC, bề mặt gia công của đúc hỗ trợ cho các cam. Điều này làm giảm số lượng các bộ phận cần thiết để lắp ráp nắp và tiết kiệm tiền cho nhà sản xuất xe vì không sử dụng các ổ riêng biệt. Nhưng việc thiếu các ổ thay thế tạo ra một thách thức cho các thợ động cơ khi nắp cần sửa chữa và các lỗ cam bị mòn, không tròn, không căn chỉnh hoặc hỏng hóc. Một yếu tố khác thường góp phần vào sự mòn của ổ cam trong nắp xilanh OHC là sự bôi trơn không đủ.
Các ổ cam OHC cách xa bơm dầu rất nhiều, vì vậy mất vài giây để áp suất dầu đến được các ổ sau khi động cơ lạnh được khởi động lần đầu. Nhiều hỏng hóc cam OHC xảy ra trong thời tiết lạnh vì độ nhớt của dầu trong khoang khuỷu quá dày. Mất quá lâu để áp suất dầu đến được các ổ cam và các lỗ ổ phải chịu hậu quả, tức là bị mài mòn, vỡ nát và thậm chí bị kẹt.
Hầu hết các động cơ OHC đời muộn ngày nay đều được nhà máy đổ đầy dầu một cách có lý do với loại dầu 5W-30. Dầu đa độ nhớt nhẹ giúp lưu thông dễ dàng hơn khi động cơ còn nguội, vì vậy nó nhanh chóng đến các bộ phận trên van. Dầu tổng hợp thì còn tốt hơn, ngoài ra nó còn cải thiện hiệu suất nhiên liệu. Sử dụng dầu có độ nhớt nặng hơn có thể làm chậm dòng chảy của dầu trong thời tiết lạnh, điều này có thể làm đói dầu cho cam khi nhiệt độ xuống dưới điểm đóng băng.
Nguy cơ khởi động khô còn cao hơn khi động cơ đã ngừng hoạt động nhiều ngày mà hầu hết dầu đã rút về thùng dầu. Việc bỏ bê dầu cũng là một yếu tố có thể rút ngắn tuổi thọ của bất kỳ động cơ nào, OHC hay không. Nếu dầu và bộ lọc không được thay thường xuyên, độ nhớt sẽ giảm, oxy hóa, axit và bùn có thể làm giảm khả năng cung cấp bôi trơn đầy đủ của dầu trong toàn bộ động cơ.
Bất kỳ tạp chất nào xuất hiện trong buồng khuỷu cũng có thể ảnh hưởng tiêu cực đến việc bôi trơn. Vì vậy, nếu các lỗ cam cho thấy dấu hiệu bị mài mòn, xước hoặc bôi trơn kém, nguyên nhân gốc rễ nên được xác định và sửa chữa để giảm nguy cơ xảy ra sự cố tương tự một lần nữa. dễ dàng được kiểm tra độ phẳng ở hai vị trí: trên bề mặt của đầu với một thanh thẳng, và xuống các lỗ trục cam OHC với một thanh thẳng hoặc thanh.
Các thông số kỹ thuật khác nhau tùy thuộc vào ứng dụng, nhưng thông thường, hầu hết các đầu OHC bằng nhôm không nên có độ không phẳng quá .002˝ ở bất kỳ hướng nào trên bề mặt buồng đốt. Độ thẳng hàng của lỗ trục cam thường nên trong khoảng .004˝ hoặc ít hơn. Nếu các lỗ trục cam vẫn thẳng và chỉ bề mặt của đầu là không phẳng, việc gia công lại bề mặt có thể là tất cả những gì cần thiết. Mặt khác, nếu các lỗ trục cam cũng không thẳng hàng, thì đầu phải được định hình lại trước khi các lỗ trục cam được khoan hoặc đánh bóng.
4.2.5 Kiểm tra OHC
Đầu OHC nhôm có thể được loại bỏ nhu cầu phải căn chỉnh bề mặt hoặc mài đầu. Nhưng nếu các lỗ trục cam bị mòn hoặc hư hỏng, việc căn chỉnh bề mặt sẽ cần thiết để lắp đặt một trục cam với kích thước lớn hơn hoặc để lắp một vỏ bi hoặc chèn bi cam với trục cam có kích thước tiêu chuẩn. Đầu nhôm có thể được làm thẳng theo nhiều cách khác nhau. Một số cửa hàng sử dụng một thiết bị thủy lực để ép lạnh đầu, nhưng có nguy cơ làm nứt đầu với kỹ thuật này.
Phương pháp ưa thích là bắt đầu vào một tấm thép nặng bằng cách sử dụng các miếng đệm để bù đắp sự biến dạng. Sau đó, đầu và tấm có thể được đặt vào lò nướng và làm nóng lên khoảng 450 độ trong ba đến sáu giờ, sau đó để nguội từ từ xuống nhiệt độ phòng. Một phương pháp khác, nhanh hơn nhưng đòi hỏi kỹ năng cao hơn, là sử dụng đèn khò để làm nóng điểm đầu và đưa nó trở về hình dạng ban đầu. Dù bằng cách nào, nhiệt sẽ làm giảm căng thẳng trên đầu và giảm nguy cơ nứt. Chỉ cần cẩn thận để không bị.
Sau khi tháo rời và lắp ghép một đầu OHC, có hai điều cần phải luôn kiểm tra: độ phẳng và sự canh chỉnh trục cam. Nếu một trong hai điều không đúng, thì điều còn lại thường cũng sẽ sai. Trục cam nên quay tự do trong đầu khi các cần đẩy, thanh đẩy hoặc lò xo van đã được tháo ra.
Nếu trục cam không quay tự do hoặc bị kẹt, hãy tháo trục cam, đặt nó lên các khối V và sử dụng đồng hồ đo để kiểm tra độ thẳng của nó. Độ lệch đo được tại trục cam giữa nên là .001˝ hoặc thấp hơn. Nếu trục cam thẳng nhưng không quay được, thì đầu đã bị cong vênh và các lỗ trục cam đã không còn thẳng hàng. đầu quá nóng. Nhôm bắt đầu mềm ở khoảng 550°-570° F và sẽ được tôi luyện ở 662° F.
4.2.6 Nguyên lý hoạt động của OHC
Hệ thống OHC, dù là SOHC hay DOHC, đều có cùng mục tiêu: điều khiển đóng/mở các xu-páp (van) nạp và xả của từng xi lanh đúng thời điểm và độ mở cần thiết để thực hiện quá trình nạp khí, nén, cháy, và xả khí thải một cách hiệu quả nhất.
Các thành phần cốt lõi và vai trò của chúng:
Trục khuỷu (Crankshaft): Là bộ phận nhận năng lượng từ piston và chuyển hóa thành chuyển động quay. Trục khuỷu là nguồn dẫn động chính cho toàn bộ động cơ, bao gồm cả hệ thống phân phối khí.
Trục cam (Camshaft):
- Vị trí: Được đặt trên đỉnh nắp quy lát (cylinder head), ngay phía trên các xu-páp.
- Cấu tạo: Trên trục cam có các vấu cam (cam lobe) được thiết kế với hình dạng đặc biệt (thường là hình trứng hoặc elip). Mỗi vấu cam tương ứng với một xu-páp hoặc một cặp xu-páp.
- Nhiệm vụ: Khi trục cam quay, các vấu cam sẽ tác động trực tiếp hoặc gián tiếp lên các xu-páp, khiến chúng mở ra.
Hệ thống dẫn động trục cam (Timing System – Xích/Đai cam và Bánh răng):
Trục cam được dẫn động từ trục khuỷu thông qua một hệ thống truyền động chính xác.
Xích cam (Timing Chain) hoặc Đai cam (Timing Belt): Đây là hai phương pháp phổ biến nhất để truyền chuyển động quay từ trục khuỷu lên trục cam.
Xích cam: Bền bỉ hơn, tuổi thọ cao, ít cần thay thế định kỳ.
Đai cam: Nhẹ hơn, êm ái hơn, nhưng cần thay thế định kỳ theo khuyến nghị của nhà sản xuất (thường sau 80.000 – 100.000 km hoặc hơn).
Bánh răng (Sprockets/Pulleys): Trục khuỷu và trục cam đều có các bánh răng tương ứng để khớp với xích hoặc đai cam, đảm bảo tỉ lệ truyền động chính xác (thường là 1:2, tức là trục cam quay 1 vòng thì trục khuỷu quay 2 vòng để hoàn thành một chu kỳ 4 thì).
Bộ căng xích/đai (Tensioner): Đảm bảo xích hoặc đai luôn căng đúng mức để duy trì sự đồng bộ và tránh trượt.
Xu-páp (Valves):
- Vị trí: Nằm trong nắp quy lát, có thể là xu-páp nạp (intake valve) cho phép hỗn hợp khí/không khí vào buồng đốt và xu-páp xả (exhaust valve) cho phép khí thải thoát ra.
- Cấu tạo: Gồm nấm xu-páp (phần nấm to đóng kín cửa) và thân xu-páp (phần hình trụ dẫn hướng).
- Nhiệm vụ: Đóng mở các cửa nạp/xả.
Lò xo xu-páp (Valve Springs):
- Vị trí: Bao quanh thân xu-páp, tựa vào nắp quy lát và đĩa lò xo trên thân xu-páp.
- Nhiệm vụ: Có vai trò cực kỳ quan trọng trong việc đảm bảo xu-páp đóng kín trở lại ngay sau khi vấu cam không còn tác động. Lò xo cũng giúp giữ xu-páp tiếp xúc với các bộ phận truyền động và tránh hiện tượng “treo xu-páp” (valve float) ở vòng tua máy cao.
Bộ phận trung gian (tùy thuộc vào loại OHC và thiết kế):
Cò mổ (Rocker Arm): Sử dụng trong một số thiết kế SOHC hoặc DOHC. Cò mổ là một đòn bẩy, một đầu tiếp xúc với vấu cam, đầu kia tác động lên đuôi xu-páp.
Con đội thủy lực/cơ khí (Hydraulic/Mechanical Lifters/Tappets):
Con đội cơ khí: Là một chi tiết hình cốc hoặc trụ đặt giữa vấu cam và đuôi xu-páp (hoặc cò mổ). Cần điều chỉnh khe hở xu-páp định kỳ.
Con đội thủy lực: Phổ biến hơn, có khả năng tự động điều chỉnh khe hở xu-páp bằng áp suất dầu, giúp loại bỏ tiếng ồn và không cần điều chỉnh định kỳ.
Chu trình hoạt động của hệ thống OHC theo 4 kỳ của động cơ:
Hãy tưởng tượng một xi lanh đang hoạt động theo chu trình 4 kỳ (Nạp – Nén – Cháy – Xả). Trục cam sẽ điều khiển các xu-páp tương ứng với từng kỳ:
Kỳ Nạp (Intake Stroke):
- Nguyên lý: Khi piston bắt đầu di chuyển từ Điểm Chết Trên (ĐCT) xuống Điểm Chết Dưới (ĐCD), để hút hỗn hợp không khí và nhiên liệu (động cơ xăng) hoặc chỉ không khí (động cơ diesel) vào xi lanh.
- Hoạt động OHC: Vấu cam của xu-páp nạp được thiết kế sao cho nó tác động lên cò mổ hoặc con đội, đẩy xu-páp nạp mở ra. Đồng thời, vấu cam của xu-páp xả không tác động, giữ cho xu-páp xả đóng kín nhờ lò xo.
- Kết quả: Tạo ra khoảng trống và chân không trong xi lanh, hút môi chất vào.
Kỳ Nén (Compression Stroke):
- Nguyên lý: Piston di chuyển từ ĐCD lên ĐCT để nén môi chất trong buồng đốt.
- Hoạt động OHC: Cả hai vấu cam (nạp và xả) đều không tác động lên xu-páp. Lò xo xu-páp nạp và xu-páp xả đều đẩy chúng về vị trí đóng kín.
- Kết quả: Đảm bảo buồng đốt kín khít, cho phép nén môi chất đến áp suất và nhiệt độ cao, chuẩn bị cho quá trình đốt cháy.
Kỳ Cháy (Power/Combustion Stroke):
- Nguyên lý: Tại hoặc gần ĐCT, bugi đánh lửa (động cơ xăng) hoặc nhiên liệu được phun vào và tự bốc cháy (động cơ diesel), tạo ra áp suất cao đẩy piston đi xuống, sinh công.
- Hoạt động OHC: Cả hai xu-páp vẫn đóng kín trong suốt quá trình cháy và giãn nở để giữ áp suất cao trong buồng đốt. Vấu cam không tác động.
- Kết quả: Piston bị đẩy xuống, truyền lực cho trục khuỷu.
Kỳ Xả (Exhaust Stroke):
- Nguyên lý: Piston bắt đầu di chuyển từ ĐCD lên ĐCT để đẩy khí thải ra ngoài qua cửa xả.
- Hoạt động OHC: Vấu cam của xu-páp xả được thiết kế để tác động lên cò mổ hoặc con đội, đẩy xu-páp xả mở ra. Xu-páp nạp vẫn đóng kín.
- Kết quả: Khí thải bị đẩy ra ngoài qua đường ống xả. Khi piston lên đến ĐCT, xu-páp xả đóng lại.
5. Sự khác biệt của SOHC và DOHC
SOHC (Single Overhead Camshaft):
- Chỉ có một trục cam trên mỗi hàng xi lanh.
- Trục cam này phải điều khiển cả xu-páp nạp và xu-páp xả, thường là thông qua các cò mổ. Các vấu cam được thiết kế để tác động lên các cò mổ tương ứng với cả hai loại xu-páp.
- Đơn giản hơn về cấu trúc, nhưng ít linh hoạt hơn trong việc tối ưu hóa thời gian đóng mở cho từng loại xu-páp.
DOHC (Double Overhead Camshaft):
- Có hai trục cam trên mỗi hàng xi lanh.
- Một trục cam dành riêng cho các xu-páp nạp, và một trục cam khác dành riêng cho các xu-páp xả.
- Mỗi trục cam có các vấu cam tác động trực tiếp lên con đội (hoặc qua một cò mổ nhỏ) của các xu-páp tương ứng.
- Sự tách biệt này cho phép các kỹ sư có quyền kiểm soát độc lập và chính xác hơn đối với thời điểm và độ mở của xu-páp nạp và xả. Đây là nền tảng cho các hệ thống Van Biến Thiên (VVT – Variable Valve Timing) hiện đại, nơi thời điểm đóng mở xu-páp có thể thay đổi linh hoạt tùy theo vòng tua và tải trọng động cơ, tối ưu hóa hiệu suất trên toàn dải hoạt động.
Trên đây là thông tin hệ thống phân phối khí OHV và OHC mà trung tâm VATC gửi đến bạn. Hy vọng bạn đã có thêm cho mình kiến thức hay trong ngày.
Nếu bạn có đang đam mê hoặc muốn tìm hiểu về các khóa học trong ngành ô tô thì liên hệ ngay với trung tâm VATC theo thông tin dưới đây để được tư vấn chi tiết nhất nhé!
Trung Tâm Huấn Luyện Kỹ Thuật Ô Tô Việt Nam – VATC
- Địa chỉ: Số 4-6, Đường số 4, Phường Hiệp Bình Phước, Thành Phố Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh
- Điện thoại: 0945711717
- Email: info@oto.edu.vn
Xem thêm:
