EnterKnow: Trong động cơ đốt trong, trục cam đóng một vai trò then chốt trong chức năng và hiệu suất. Câu hỏi “Trục cam có tác dụng gì?” cho thấy sự phức tạp và sự đổi mới đằng sau động cơ đốt trong. Thành phần này rất cần thiết để kiểm soát van nạp và van xả của động cơ, điều chỉnh thời gian chính xác cần thiết để đạt hiệu suất tối ưu. Bằng cách biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến trên xupap, trục cam đảm bảo khí nạp/hòa khí được nạp vào và khí xả được thải ra đúng thời điểm. Bài viết này, XecoV sẽ tìm hiểu và giải thích cơ bản về trục cam, vai trò và những thiết lập trong động cơ đốt trong
Trục cam có vai trò gì?
Chức năng chính của trục cam là điều khiển việc đóng mở van nạp và xả của động cơ. Nó thực hiện được điều đó thông qua một vũ điệu đồng bộ về chuyển động quay và thời điểm. Khi trục cam quay, mỗi vấu cam—một phần nhô ra được thiết kế tỉ mỉ—tương tác với các bộ nâng van hoặc cần đẩy để kiểm soát chính xác thời điểm và khoảng thời gian mở van. Sự vận hành hài hòa này đảm bảo nhiên liệu có thể đi vào buồng đốt và khí thải có thể thoát ra vào thời điểm tối ưu, tác động trực tiếp đến công suất đầu ra của động cơ và khả năng tiết kiệm nhiên liệu.
Trục cam là bộ phận không thể thiếu của động cơ đốt trong, có nhiệm vụ điều khiển đóng mở các van nạp, xả của động cơ. Khi trục cam quay, các vấu của nó đẩy vào các van, cho phép nạp không khí và nhiên liệu và thải khí thải ra ngoài. Quá trình đồng bộ hóa này rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất động cơ, tiết kiệm nhiên liệu và kiểm soát khí thải. Nếu không có trục cam được thiết kế chính xác, hoạt động trơn tru và hiệu quả của động cơ sẽ bị ảnh hưởng.
Bằng cách quyết định thời gian đóng mở van, nó đóng vai trò then chốt trong quá trình hoạt động của động cơ. Hiệu quả của quá trình này cho phép một chiếc xe lướt đi dễ dàng trên đường hoặc gầm rú một cách mạnh mẽ.
Cơ bản về trục cam
Trục cam là trục chứa một dãy cam nhọn dùng để biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến. Trục cam được sử dụng trong động cơ piston (để vận hành van nạp và van xả), hệ thống đánh lửa điều khiển cơ học và bộ điều khiển tốc độ động cơ điện thời kỳ đầu.
Trục cam trong động cơ piston thường được làm từ thép hoặc gang, hình dạng của trục cam ảnh hưởng rất lớn đến đặc tính của động cơ.
Vật liệu chế tạo
Trục cam được làm từ kim loại và thường là trục đặc, cũng có một số thiết kế sử dụng trục cam rỗng. Vật liệu chế tạo trục cam thường là:
- Gang: Thường được sử dụng trong sản xuất số lượng lớn,có khả năng chống mài mòn tốt do quá trình làm lạnh làm cứng chúng.
- Thép phôi: Đối với động cơ hiệu suất cao hoặc trục cam sản xuất với số lượng ít, phôi thép đôi khi được sử dụng. Đây là một quá trình tốn nhiều thời gian hơn và thường đắt hơn các phương pháp khác. Phương pháp chế tạo thường là rèn, gia công, đúc hoặc hydroforming.
Các bộ phận quan trọng của bất kỳ trục cam nào là các vấu cam. Khi trục cam quay, các vấu cam sẽ mở và đóng van nạp và van xả theo chuyển động của piston. Thực tế có một mối quan hệ trực tiếp giữa hình dạng của vấu cam và cách hoạt động của động cơ ở các dải tốc độ khác nhau.
Để hiểu lý do tại sao lại như vậy, hãy tưởng tượng rằng chúng ta đang chạy một động cơ cực kỳ chậm – chỉ với 10 hoặc 20 vòng quay mỗi phút (RPM) – đến mức pít-tông phải mất vài giây để hoàn thành một chu trình. Thực sự không thể chạy một động cơ bình thường chậm đến mức này, nhưng hãy tưởng tượng rằng chúng ta có thể. Ở tốc độ chậm này, chúng ta muốn vấu cam được định hình sao cho:
- Ngay khi piston bắt đầu di chuyển xuống trong hành trình nạp (được gọi là điểm chết trên hay TDC), van nạp sẽ mở. Van nạp sẽ đóng ngay khi piston đi xuống đến đáy.
- Van xả sẽ mở ngay khi pít-tông chạm đáy (gọi là điểm chết dưới, hay BDC) ở cuối hành trình đốt cháy và sẽ đóng khi pít-tông hoàn thành hành trình xả.
Thiết lập này sẽ hoạt động thực sự tốt cho động cơ miễn là nó chạy ở tốc độ rất chậm này. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu bạn tăng RPM?
Khi bạn tăng RPM, cấu hình 10 đến 20 RPM cho trục cam không hoạt động tốt. Nếu động cơ chạy ở tốc độ 4.000 vòng/phút, các van sẽ mở và đóng 2.000 lần mỗi phút, hoặc 33 lần mỗi giây. Ở những tốc độ này, piston chuyển động rất nhanh nên hỗn hợp không khí/nhiên liệu đổ vào xi lanh cũng chuyển động rất nhanh.
Khi van nạp mở và piston bắt đầu hành trình nạp, hỗn hợp không khí/nhiên liệu trong đường nạp bắt đầu tăng tốc vào xi lanh. Vào thời điểm piston chạm tới đáy hành trình nạp, không khí/nhiên liệu đang chuyển động với tốc độ khá cao. Nếu chúng ta đóng van nạp lại, toàn bộ không khí/nhiên liệu đó sẽ dừng lại và không đi vào xi lanh. Bằng cách để van nạp mở lâu hơn một chút, động lượng của không khí/nhiên liệu chuyển động nhanh tiếp tục ép không khí/nhiên liệu vào xi lanh khi piston bắt đầu hành trình nén. Vì vậy, động cơ chạy càng nhanh thì không khí/nhiên liệu di chuyển càng nhanh và chúng ta muốn van nạp mở càng lâu. Chúng ta cũng muốn van mở rộng hơn ở tốc độ cao hơn – thông số này, được gọi là độ nâng van, được điều chỉnh bởi cấu hình vấu cam.
Tùy vào thiết kế động cơ mong muốn khác nhau mà cấu hình trục cam cũng khác nhau, chúng ta có thể có trục cam thông thường, trục cam hiệu suất, trục cam hiệu quả. Bất kỳ trục cam nhất định nào cũng sẽ chỉ hoàn hảo ở một tốc độ động cơ. Ở mọi tốc độ động cơ khác, động cơ sẽ không phát huy hết công suất. Do đó, trục cam cố định luôn là một sự thỏa hiệp. Đây là lý do tại sao các nhà sản xuất ô tô đã phát triển các kế hoạch để thay đổi cấu hình cam khi tốc độ động cơ thay đổi.
Có một số cách sắp xếp trục cam khác nhau trên động cơ, bao gồm:
- Cam đơn trên cao (SOHC)
- Cam đôi trên cao (DOHC)
- Đũa đẩy – Pushrod (OHV)
Đặc tính hiệu suất
Duration – Thời lượng
Thời lượng của trục cam xác định khoảng thời gian mở van nạp/xả, do đó nó là yếu tố then chốt quyết định lượng công suất mà động cơ tạo ra. Thời lượng dài hơn có thể tăng công suất ở tốc độ động cơ (RPM) cao, tuy nhiên, điều này có thể đi kèm với việc đánh đổi việc tạo ra ít mô-men xoắn hơn ở tốc độ RPM thấp
Phép đo khoảng thời gian cho trục cam bị ảnh hưởng bởi độ nâng được chọn làm điểm bắt đầu và kết thúc của phép đo. Giá trị nâng 0,050 in (1,3 mm) thường được sử dụng làm quy trình đo tiêu chuẩn, vì đây được coi là đại diện nhất cho phạm vi nâng xác định phạm vi RPM mà động cơ tạo ra công suất cực đại. Đặc tính công suất và không tải của trục cam có cùng khoảng thời gian đã được xác định bằng cách sử dụng các điểm nâng khác nhau (ví dụ 0,006 hoặc 0,002 inch) có thể khác nhiều so với trục cam có khoảng thời gian được đánh giá bằng cách sử dụng điểm nâng là 0,05 inch.
Tác động thứ hai của việc tăng thời gian có thể là tăng sự chồng chéo, xác định khoảng thời gian mà cả van nạp và van xả đều mở. Sự chồng chéo này ảnh hưởng nhiều nhất đến chất lượng không tải, cũng như việc “xả” lượng nạp ngay lập tức thoát ra ngoài qua van xả xảy ra trong quá trình chồng chéo làm giảm hiệu suất động cơ và lớn nhất khi vận hành ở vòng tua thấp. Nói chung, việc tăng thời lượng của trục cam thường làm tăng sự chồng chéo, trừ khi Góc tách thùy (Lobe Separation Angle – LSA) được tăng lên để bù lại.
Độ nâng – Lift
Độ nâng của trục cam xác định khoảng cách giữa van và bệ van (tức là van mở bao xa). Van càng nhô cao khỏi vị trí của nó thì càng có thể cung cấp nhiều luồng không khí hơn, do đó làm tăng công suất sản xuất. Độ nâng van cao hơn có thể có tác dụng tăng công suất cực đại tương tự như tăng thời lượng mà không có nhược điểm do tăng chồng chéo van. Hầu hết các động cơ van trên cao đều có tỷ số cò mổ lớn hơn 1, do đó khoảng cách mà van mở ra (độ nâng van) lớn hơn khoảng cách từ đỉnh vấu trục cam đến vòng tròn cơ sở (độ nâng trục cam).
Có một số yếu tố giới hạn mức nâng tối đa có thể có đối với một động cơ nhất định. Thứ nhất, việc tăng độ nâng sẽ đưa các van đến gần pít-tông hơn, do đó độ nâng quá mức có thể khiến các van bị pít-tông va vào và làm hỏng. Thứ hai, độ nâng tăng lên sẽ cần có biên dạng cam dốc hơn, điều này làm tăng lực cần thiết để mở van. Một vấn đề liên quan là phao van ở tốc độ RPM cao, trong đó lực căng của lò xo không cung cấp đủ lực để giữ van đi theo cam ở đỉnh của nó hoặc ngăn van nảy khi nó quay trở lại bệ van. Đây có thể là kết quả của sự nâng lên rất dốc của vấu cam, trong đó bánh cam tách ra khỏi vấu cam (do quán tính của hệ thống van lớn hơn lực đóng của lò xo van), khiến van mở lâu hơn dự định. Phao van gây mất công suất ở tốc độ RPM cao và trong những tình huống khắc nghiệt có thể dẫn đến van bị cong nếu nó bị pít-tông va vào.
Định thời – Timing
Có thể điều chỉnh thời điểm (góc pha) của trục cam so với trục khuỷu để chuyển dải công suất của động cơ sang một phạm vi RPM khác. Việc đẩy trục cam lên trước (chuyển nó về phía trước định thời trục khuỷu) sẽ làm tăng mô-men xoắn RPM thấp, trong khi việc lùi trục cam (chuyển nó về phía sau định thời trục khuỷu) sẽ làm tăng công suất RPM cao. Những thay đổi cần thiết là tương đối nhỏ, thường ở mức 5 độ.
Các động cơ hiện đại có định thời van biến thiên thường có thể điều chỉnh thời gian của trục cam cho phù hợp với tốc độ vòng/phút của động cơ tại bất kỳ thời điểm nào. Điều này tránh được sự thỏa hiệp cần thiết ở trên khi chọn định thời cam cố định để sử dụng ở cả tốc độ RPM cao và thấp.
Góc tách thùy
Góc tách thùy (LSA, còn gọi là góc đường tâm thùy) là góc giữa đường tâm của thùy nạp và đường tâm của thùy xả. LSA cao hơn làm giảm sự chồng chéo, giúp cải thiện chất lượng không tải và chân không nạp, tuy nhiên, sử dụng LSA rộng hơn để bù cho thời lượng quá mức có thể làm giảm công suất và mô-men xoắn đầu ra. Nói chung, LSA tối ưu cho một động cơ nhất định có liên quan đến tỷ lệ giữa thể tích xi lanh và diện tích van nạp.
SOHC – Trục cam đơn trên cao
Sự sắp xếp này biểu thị một động cơ có một cam trên mỗi đầu máy (nắp quy lát). Vậy nếu là động cơ 4 xi-lanh thẳng hàng hay 6 xi-lanh thẳng hàng thì sẽ có một trục cam; nếu là V-6 hoặc V-8 thì sẽ có hai trục cam (mỗi đầu máy một trục cam).
Cam điều khiển cánh tay đòn ấn xuống các van, mở chúng ra. Lò xo đưa các van về vị trí đóng của chúng. Những lò xo này phải rất chắc chắn vì ở tốc độ động cơ cao, các van bị đẩy xuống rất nhanh, và chính các lò xo này sẽ giữ cho các van tiếp xúc với các tay cò mổ. Nếu lò xo không đủ chắc chắn, các van có thể tuột ra khỏi tay đòn và bật ngược lại. Đây là một tình huống không mong muốn có thể dẫn đến sự mài mòn thêm trên cam và cánh tay đòn.
DOHC – Trục cam đôi trên cao
Động cơ cam đôi trên đầu có hai trục cam trên mỗi đầu máy. Như vậy, động cơ thẳng hàng có hai trục cam và động cơ chữ V có bốn trục cam. Thông thường, cam đôi trên cao được sử dụng trên động cơ có bốn van trở lên trên mỗi xi-lanh – đơn giản là một trục cam không thể lắp đủ vấu cam để vận hành tất cả các van đó.
Lý do chính để sử dụng cam đôi trên cao là để cho phép có nhiều van nạp và xả hơn. Nhiều van hơn có nghĩa là khí nạp và khí thải có thể lưu thông tự do hơn vì có nhiều lỗ hở hơn để chúng đi qua. Điều này giúp tăng công suất của động cơ.
Trên động cơ cam đơn và cam đôi, cam được dẫn động bởi trục khuỷu, thông qua dây đai hoặc xích gọi là đai định thời hoặc xích định thời. Những dây đai và dây xích này cần được thay thế hoặc điều chỉnh định kỳ. Nếu đai định thời bị đứt, cam sẽ ngừng quay và pít-tông có thể va vào các van đang mở.
Pushrod – Động cơ đũa đẩy
Giống như động cơ SOHC và DOHC, các van trong động cơ đũa đẩy được đặt ở đầu máy, phía trên xi lanh. Điểm khác biệt chính là trục cam trên động cơ đũa đẩy nằm bên trong khối động cơ chứ không phải ở đầu máy.
Cam điều khiển các thanh dài (đũa đẩy) đi xuyên qua khối động cơ và vào đầu máy để di chuyển các cần lắc. Những thanh dài này tăng thêm khối lượng cho hệ thống, làm tăng tải trọng lên các lò xo van. Điều này khiến động cơ đũa đẩy bị hạn chế tốc độ. Động cơ đũa đẩy, trục cam thường được dẫn động bằng bánh răng hoặc dây xích ngắn.
VVT – Variable Valve Timing
VVT là viết tắt của Variable Valve Timing – dịch ra là Định thời (thời gian) Van Biến Thiên hay Thay đổi thời điểm van. Hệ thống VVT còn được hiểu rộng hơn là Hệ thống điều khiển van biến thiên. VVT là quá trình thay đổi thời gian/thời điểm của sự kiện nâng van (sự kiện van là những lần xảy ra quá trình đóng và mở van – sự kiện đóng và sự kiện mở), và thường được sử dụng để cải thiện hiệu suất, tiết kiệm nhiên liệu hoặc tối ưu khí thải.
Trong ứng dụng mở rộng, VVT kết hợp với hệ thống nâng van biến thiên (Variable Valve Lift – VVL) tạo thành hệ thống điều khiển van biến thiên – đây là lý do mà tiêu đề bài viết được đặt. Định nghĩa mở rộng thì VVT là quá trình thay đổi thời điểm, lực nâng, khoảng, khoảng thời gian của sự kiện nâng van. Có nhiều cách để đạt được điều này, từ các thiết bị cơ khí đến hệ thống điện thủy lực và không cam.
Tham khảo chi tiết bài viết: Hệ Thống Điều Khiển Van Biến Thiên VVT
