Đầu xi lanh là chi tiết nằm trên cùng của khối động cơ, có nhiệm vụ tạo thành buồng đốt và bố trí các cơ cấu như xupap, bugi hoặc kim phun. Đây là nơi diễn ra quá trình trao đổi khí và đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu – không khí, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và độ bền của động cơ. Bài viết sẽ giúp bạn hiểu rõ kết cấu, chức năng và những yêu cầu kỹ thuật của đầu quy lát trong động cơ ô tô.
1. Nắp qui-lát động cơ
Đầu xi lanh hỗ trợ các xu-páp và hệ thống xu-páp, và chứa các lối đi cho dòng khí nạp, khí thải, chất làm mát, và dầu động cơ. Trong động cơ dấu hiệu trục cam trên cao, đầu xi lanh cũng hỗ trợ tất cả các bộ phận của hệ thống xu-páp bao gồm trục cam, tay đòn, cũng như xu-páp nạp và xu-páp xả và ống dẫn hướng xu-páp.
Hầu hết các thiết kế đầu xi lanh kết hợp các yếu tố thiết kế sau để đạt được sự đốt cháy nhanh của hỗn hợp không khí-nhiên liệu và giảm khí thải.
Các yếu tố này bao gồm:
- Khu vực nén: Đây là khu vực của buồng đốt nơi pít-tông gần tiếp xúc với đầu xi lanh. Khi pít-tông di chuyển lên trên về phía đầu xi lanh, hỗn hợp nhiên liệu không khí nhanh chóng bị đẩy ra khỏi khu vực nén, gây hoà trộn. Sự hoà trộn giúp trộn không khí và nhiên liệu, từ đó đảm bảo quá trình đốt cháy đồng đều và hoàn toàn hơn.
- Khu vực làm nguội: Khu vực nén cũng có thể là khu vực dập tắt nơi hỗn hợp nhiên liệu không khí được làm mát bằng đầu xi lanh. Khu vực làm nguội là khu vực phẳng của buồng đốt nằm trên khu vực phẳng của pít-tông. Khi pít-tông di chuyển lên trên hành trình nén, hỗn hợp không khí-nhiên liệu bị đẩy ra khỏi khu vực này khi pít-tông đến gần đỉnh. Khu vực làm nguội hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn phần còn lại của buồng đốt và có thể làm cho hơi xăng ngưng tụ trên các bề mặt mát hơn này, do đó giúp giảm kích nổ do tự đánh lửa của các khí cuối cùng trong buồng cháy.
Vị trí bugi:
Vị trí đặt bugi tốt nhất là ở trung tâm của buồng đốt. Càng gần trung tâm, ngọn lửa di chuyển đến tất cả các cạnh của buồng đốt càng ngắn, điều này cũng làm giảm quá trình đốt cháy bất thường (ping hoặc tiếng gõ tia lửa). Mặc dù tốt nhất là nên đặt bugi ở trung tâm, nhưng một số thiết kế chamber đốt không cho phép điều này, do kích thước xu-páp, quá trình đốt cháy.
Thiết kế buồng đốt và vị trí xu-páp:
Một số động cơ sử dụng hai bugi trên mỗi xi lanh để đạt được quá trình đốt cháy nhanh cần thiết để đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải, để biết ví dụ về buồng đốt hai bugi được sử dụng trong thiết kế đầu xi lanh hình bán cầu (Hemi).
Tỷ lệ bề mặt trên thể tích:
Tỷ lệ này là một cân nhắc thiết kế quan trọng cho buồng đốt. Tỷ lệ bề mặt trên thể tích điển hình là 7,5: 1, có nghĩa là diện tích bề mặt của buồng đốt chia cho thể tích là 7,5. Nếu tỷ lệ quá cao, có rất nhiều diện tích bề mặt mà nhiên liệu có thể bám dính, gây ra sự gia tăng lượng khí thải hydrocacbon (HC) chưa cháy.
Đầu xi lanh mát làm cho một số hỗn hợp không khí-nhiên liệu ngưng tụ, dẫn đến một lớp nhiên liệu lỏng trên bề mặt buồng đốt. Lớp nhiên liệu ngưng tụ này sẽ không cháy vì nó không được bao quanh bởi oxy cần thiết cho quá trình đốt cháy. Kết quả là, nhiên liệu chưa cháy này được đẩy ra khỏi xi lanh bởi pít-tông trên hành trình xả.
Tấm che xu-páp:
Tấm che có nghĩa là xu-páp được giữ sát với thành buồng đốt để giúp tăng sự hoà trộn hỗn hợp. Mặc dù che xu-páp nạp có thể giúp xoáy và tăng sự hoà trộn, nhưng nó cũng làm giảm lưu lượng vào động cơ ở tốc độ động cơ cao hơn.
Vị trí xu-páp dòng ngang:
Vị trí xu-páp trong đầu xi lanh là một yếu tố quan trọng trong hiệu quả của đường ống xả. Bằng cách đặt xu-páp nạp và xu-páp xả ở hai phía đối diện của buồng đốt, một đường dẫn dễ dàng từ cổng nạp qua buồng đốt đến cổng xả được cung cấp. Đây được gọi là thiết kế đầu dòng chéo.
2. Những điều cần biết về nắp qui-lát động cơ
Nắp qui-lát động cơ thực hiện khá nhiều nhiệm vụ như cho phép khí nạp và nhiên liệu vào buồng đốt để thực hiện quá trình cháy thông qua các xu-páp nạp, xu-páp xả và kim phun nhiên liệu. Dưới đây là những điều cần biết về nắp máy động cơ.
Nắp qui-lát được bắt chặt vào thân máy bằng các bu-lông và kết hợp với thân máy tạo nên buồng đốt và được làm kín bằng gioăng hay đệm làm kín. Trên nắp máy còn có các cổ góp hút và xả để cung cấp khí nạp và dẫn dòng khí xả ra ngoài.
Mặt dưới của nắp qui-lát lõm vào, cùng với pít-tông tạo thành buồng đốt. Bên trong nắp qui-lát có lỗ dầu và áo nước để làm mát các chi tiết.
Hầu hết các động cơ xăng đều có nắp qui-lát làm bằng hợp kim nhôm. Hợp kim nhôm nhẹ hơn gang và dẫn nhiệt rất tốt. Giữa thân máy và nắp qui-lát là tấm gioăng nắp qui-lát, nó có tác dụng làm kín mối liên kết giữa hai khối để chống lọt các khí áp suất cao, khí cháy, nước làm mát và dầu động cơ.
Có nhiều loại nắp máy khác nhau được phát minh từ trước đến nay.
- Đầu tiên là loại lâu đời nhất được sử dụng vào những năm 1950: Loại nắp qui-lát này không có cò mổ mà chỉ có con đội ngắn và trục cam được lắp trong thân máy. Xu-páp sẽ đặt ngược lại so với các loại động cơ ngày nay. Loại này khiến công suất động cơ hạn chế.
- Loại nắp qui-lát tiếp theo đó là loại đã sử dụng cò mổ và con đội có kích thước dài hơn: Trục cam vẫn nằm trong thân máy, chỉ có trục cò và xu-páp nằm trên nắp máy. Xu-páp đã đặt giống trên các động cơ ngày nay. Loại này đã giúp tỉ số nén cao hơn và tăng công suất động cơ cao hơn.
- Loại thứ ba được áp dụng phổ biến trên các động cơ ngày nay khi trục cam được lắp trên nắp qui-lát: Con đội cơ khí được thay thế bằng con đội thủy lực hoạt động êm dịu hơn. Số lượng xu-páp nạp và thải cũng tăng lên để tăng công suất động cơ. Kiểu động cơ này có tên là SOHC nếu có 1 trục cam trên nắp qui-lát hoặc DOHC nếu có 2 trục cam.
3. Thiết kế buồng đốt
Hình dạng buồng đốt có ảnh hưởng đến công suất và hiệu suất động cơ. Buồng đốt được tạo thành hai phần.
Phần trên bao gồm đầu xi lanh và thành xi lanh.
Phần dưới là đỉnh của pít-tông. Các hình dạng buồng đốt được sử dụng phổ biến nhất bao gồm:
- Nêm. Thường được tìm thấy trên nhiều thiết kế động cơ thanh đẩy hai xu-páp (cam-in-block).
- Pentroof. Thường được tìm thấy trên nhiều động cơ thiết kế trục cam bốn xu-páp.
- Hemi. Được tìm thấy trên cả động cơ thiết kế trục cam trong khối và trên cao.
4. Loại đầu qui-lát 4 xu-páp
Thêm nhiều hơn hai xu-páp trên mỗi xi lanh cho phép nhiều khí chảy vào và ra khỏi động cơ với vận tốc lớn hơn.
Thời gian là số độ mà trục khuỷu quay khi xu-páp rời khỏi bệ xu-páp.
Tăng thời gian xu-páp trong các nếp gấp xu-páp chồng chéo. Sự chồng chéo xu-páp xảy ra khi cả hai xu-páp mở cùng một lúc khi kết thúc hành trình xả và khi bắt đầu hành trình nạp. Ở tốc độ động cơ thấp hơn, khí có thể di chuyển qua lại giữa các xu-páp mở.
Do đó, thời gian xu-páp lớn hơn làm ảnh hưởng đến hiệu suất tốc độ động cơ thấp và khả năng lái, nhưng nó cho phép nhiều hỗn hợp nhiên liệu không khí hơn đi vào động cơ để có công suất tốc độ cao tốt hơn. Lượng khí tối đa di chuyển qua khu vực mở của xu-páp phụ thuộc vào khoảng cách xung quanh xu-páp và mức độ mở của xu-páp.
Sử dụng lực nâng mở bình thường khoảng 25% đường kính đầu xu-páp, nếu xu-páp nạp là 2 in. đường kính, lượng nâng bình thường ra khỏi đế (không phải chiều cao vấu cam) là 25% của 2 in., hoặc 1/2 (0.5) in.
Tuy nhiên, lượng hỗn hợp không khí-nhiên liệu có thể đi vào inder xi lanh phụ thuộc vào tổng diện tích xung quanh xu-páp, không chỉ là lượng nâng.
Có thể có nhiều diện tích hơn dưới xu-páp khi sử dụng hai xu-páp nhỏ hơn thay vì một xu-páp lớn hơn ở cùng một xu-páp nâng. Các xu-páp nhỏ hơn cho phép vận hành tốc độ thấp trơn tru (do vận tốc của hỗn hợp tăng lên khi nó đi vào xi lanh do các cổng nạp nhỏ hơn). Hiệu suất tốc độ cao tốt cũng có thể thực hiện được vì diện tích xu-páp tăng lên và xu-páp trọng lượng nhẹ hơn.
Bốn xu-páp trên thiết kế pentroof sẽ được vận hành với trục cam kép trên cao hoặc với trục cam đơn trên cao và tay đòn. Khi sử dụng bốn xu-páp, có thể đặt bugi ở trung tâm buồng đốt.
5. Đường làm mát đầu xy-lanh
Động cơ được thiết kế để chất lỏng làm mát sẽ chảy từ phần mát nhất của động cơ đến phần ấm nhất. Bơm nước lấy chất lỏng làm mát từ bộ tản nhiệt. Chất lỏng làm mát được tuần hoàn qua khối động cơ, nơi nó được dẫn đi xung quanh các xi lanh. Chất lỏng làm mát sau đó chảy lên phía trên qua miếng đệm đến các lối nước được đúc vào đầu xi lanh.
6. Các lỗ khoang dầu trên đầu xy-lanh
Có những lỗ khá lớn trên bề mặt gioăng của đầu xy-lanh, dẫn đến các lối đi làm mát của đầu. Các khe mở giữa đầu và khối thường lớn quá mức cần thiết để lưu lượng chất làm mát chính xác.
Khi các khe mở quá lớn, gioăng đầu thực hiện một chức năng quan trọng trong việc điều chỉnh lưu lượng chất làm mát. Lỗ có kích thước đặc biệt và nhỏ hơn được tạo ra trong gioăng. Những lỗ này điều chỉnh lưu lượng chất làm mát tại mỗi khe mở. Do đó, việc lắp đặt gioăng đầu một cách chính xác là rất quan trọng để làm mát động cơ đúng cách.
Dầu bôi trơn được cung cấp cho cơ chế van trên cao, hoặc thông qua các thanh đẩy van hoặc thông qua các lỗ khoan trong đầu và khối đúc. Có những lỗ đặc biệt trong gói đệm đầu cho phép dầu nước chảy qua giữa khối và đầu mà không bị rò rỉ.
Sau khi dầu đi qua các cơ chế van, nó trở lại chậu dầu thông qua các lối đi hồi dầu. Một số động cơ có lỗ hồi dầu khoan, nhưng hầu hết các động cơ có các lỗ đúc lớn cho phép dầu trở lại dễ dàng về chậu dầu của động cơ. Các lỗ đúc lớn và không một cách dễ dàng bị tắc.
7. Trình tự sửa chữa đầu xy-lanh
Mặc dù không phải tất cả các đầu xy-lanh đều cần tất cả các thao tác bảo trì, nhưng các đầu xy-lanh nên được phục hồi theo trình tự sau:
- Tháo rời và làm sạch kỹ lưỡng các đầu.
- Kiểm tra nứt và sửa chữa nếu cần thiết.
- Kiểm tra bề mặt tiếp xúc với khối động cơ và gia công, nếu cần thiết.
- Kiểm tra hướng dẫn van và thay thế hoặc bảo trì, nếu cần thiết.
- Mài các van và lắp lại chúng vào đầu xy-lanh với các gioăng trục van mới.
Các loại nắp qui-lát động cơ:
Hầu hết động cơ trên ô tô hiện nay đều ưu tiên sử dụng vật liệu nhôm thay cho các vật liệu gang thép nếu có thể để giảm thiểu khối lượng của động cơ xuống.
Thật ra vật liệu nhôm có nhiều ưu điểm tốt như khối lượng riêng nhẹ, hệ số giãn dài cũng không lớn và bằng các phương pháp chế tạo hợp kim nhôm ta có thể khắc phục hầu hết các nhược điểm của vật liệu nhôm nhưng vật liệu gang thép lại không thể làm được điều mà vật liệu nhôm mang lại được.
7. Canh chỉnh và kiểm tra đầu xy-lanh nhôm
Nhôm giãn nở với tốc độ khoảng gấp đôi so với gang khi bị nung nóng.
Đầu xy-lanh nhôm sử dụng có thể bị cong và/hoặc nứt nếu bị quá nhiệt.
Đầu xy-lanh đang giãn nở điều đầu tiên sẽ đầu tiên tác động lên các bu-lông đầu. Sự giãn nở thêm của đầu sẽ khiến đầu giãn nở lên trên và cong ở giữa.
Nếu một đầu xy-lanh bị cong (hay cong vênh) được mài lại, các áp lực do sự giãn nở vẫn còn hiện hữu, và nếu đầu xy-lanh sử dụng trục cam phía trên, sẽ có thêm các vấn đề phát sinh.
Nếu đầu xy-lanh bị biến dạng thành hình chữ D, các trục đỡ trung tâm của trục cam cũng cần được phục hồi.
Cách tốt nhất để phục hồi một nắp xy-lanh nhôm bị cong vênh (đặc biệt là nắp trục cam trên) là làm giảm áp lực đã gây ra cong vênh và làm thẳng nắp trước khi gia công. Nắp qui-lát bằng hợp kim gang thép.
- Bước 1: Xác định lượng biến dạng bằng cách sử dụng thước thẳng và thước đo độ dày. Cắt tấm shim (các dải kim loại mỏng) bằng một nửa lượng biến dạng. Đặt các shim có độ dày này dưới mỗi đầu của xy lanh.
- Bước 2: Siết chặt phần giữa của đầu xy lanh xuống một bề mặt phẳng và vững chắc. một tấm thép dày 2 in. rộng 8 in. và dài 20 in. là một điểm tựa tốt cho bề mặt gasket của đầu xy lanh (sử dụng hợp chất chống rỉ trên các ren bu lông để hỗ trợ việc tháo bu lông).
- Bước 3: Đặt đầu và bệ vào lò nướng trong năm giờ ở nhiệt độ 500°F (260°C). Tắt lò nướng và để bộ phận này trong lò.
8. Nắp qui lát bằng gang
Câu hỏi đặt ra là, nắp qui-lát của động cơ xăng có giống như nắp qui-lát của động cơ Diesel không? Câu trả lời là không đâu. Nắp qui-lát của động cơ Diesel cần phải chịu một áp lực cháy lớn hơn so với nắp qui-lát của động cơ xăng rất nhiều.
Chính vì thế, các kênh làm mát và kênh bôi trơn cho hệ thống làm mát và bôi trơn động cơ hoạt động của động cơ Diesel thường nhiều hơn động cơ xăng khá nhiều và vật liệu chế tạo nắp qui-lát động cơ Diesel thường là gang thép so với động cơ xăng thường là nhôm. Đủ thấy sự khác nhau rõ rệt về cấu tạo động cơ là như thế nào rồi.
Bên cạnh đó, nắp qui-lát có 1 nhiệm vụ vô cùng quan trọng đó chính là kết hợp với Pít-tông của hệ thống phát lực và thân máy động cơ tạo thành buồng cháy và hình dạng buồng cháy hầu hết đều được quyết định bởi nắp máy. Đối với các hệ thống phun dầu điều khiển điện tử hiện đại thì ta có thể thấy kết cấu buồng cháy của động cơ xăng và Diesel có thể tương đồng.
Nhưng đối với các động cơ ô tô thương mại hay động cơ Diesel có moment xoắn lớn thì thường ta sẽ thiết kế một buồng cháy trên cả nắp qui-lát, ta gọi đó là buồng cháy dự bị. Buồng cháy dự bị này có vai trò rất lớn đến việc đảm bảo nhiệt độ vận hành tối ưu của động cơ khi động cơ chưa đạt được đến điều kiện vận hành tối ưu
Trên đây là toàn bộ thông tin về chủ đề kết cấu đầu xi-lanh trên động cơ ô tô mà trung tâm VATC muốn gửi đến bạn. Hy vọng bài viết này sẽ bổ ích và hữu dụng với bạn.
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:
