Trong cấu tạo của động cơ đốt trong, cơ cấu phân phối khí là một bộ phận không thể thiếu, góp phần quan trọng vào việc điều phối hoạt động giữa các bộ phận chính trong quá trình sinh công. Hệ thống này chịu trách nhiệm kiểm soát thời điểm đóng mở của các van nạp và van xả, đảm bảo cho quá trình nạp khí mới và thải khí cháy diễn ra đúng chu kỳ, đồng bộ với chuyển động của piston. Vậy cơ cấu phân phối khí có nhiệm vụ cụ thể gì và ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất động cơ? Hãy cùng Suzuki Việt Thắng khám phá chi tiết qua nội dung dưới đây.
Cơ cấu phân phối khí là gì?
Cơ cấu phân phối khí là một bộ phận quan trọng trong động cơ đốt trong, có nhiệm vụ điều khiển quá trình đóng mở các xu-páp (xupap) để nạp khí mới vào buồng đốt và thải khí cháy ra ngoài. Hệ thống này hoạt động đồng bộ với chuyển động của trục khuỷu nhằm đảm bảo quá trình hút – nén – nổ – xả diễn ra chính xác và hiệu quả trong từng chu kỳ của động cơ.
Cơ cấu phân phối khí thường bao gồm các bộ phận chính: trục cam, xu-páp (van), con đội, cò mổ, lò xo xu-páp và các chi tiết truyền động khác. Tùy theo cấu trúc của động cơ, vị trí lắp đặt và nguyên lý hoạt động, cơ cấu này có thể được thiết kế theo nhiều kiểu khác nhau.
Cơ cấu phân phối khí được chia làm mấy loại?
Trong quá trình nghiên cứu và bảo dưỡng động cơ, việc hiểu rõ các loại cơ cấu phân phối khí đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất vận hành cũng như khả năng ứng dụng của từng hệ thống. Mỗi loại cơ cấu được thiết kế với đặc điểm riêng, phù hợp với từng loại động cơ và mục tiêu sử dụng khác nhau. Vậy cơ cấu phân phối khí được chia làm mấy loại và tiêu chí nào để phân loại chúng? Hãy cùng tìm hiểu chi tiết ngay sau đây.
Phân loại theo công nghệ hoạt động
- Cơ cấu phân phối khí OHV (Overhead Valve) là dạng cơ cấu truyền thống, trong đó trục cam được đặt bên trong thân máy. Chuyển động từ trục cam được truyền qua hệ thống cò mổ, cần đẩy và con đội để tác động lên xu-páp. Cấu trúc này có ưu điểm là độ bền cao, ít hỏng vặt và phù hợp với động cơ nhỏ hoặc xe tải. Tuy nhiên, vì kết cấu phức tạp và quán tính lớn nên khả năng điều khiển chính xác thời điểm đóng mở van còn hạn chế, hiệu suất vận hành không cao ở vòng tua lớn.
- Cơ cấu phân phối khí OHC (Overhead Camshaft) hiện là loại phổ biến nhất trong các dòng động cơ hiện đại. Trục cam được đặt phía trên đầu xi-lanh, gần sát với xu-páp, giúp rút ngắn đường truyền lực, giảm ma sát và tăng độ chính xác trong điều khiển. OHC gồm hai loại chính là SOHC (một trục cam) và DOHC (hai trục cam). Trong đó, DOHC thường được áp dụng cho các động cơ cao cấp vì cho phép dùng nhiều van trên mỗi xi-lanh và hỗ trợ công nghệ van biến thiên tốt hơn.
- SOHC (Single Overhead Camshaft) là kiểu bố trí trục cam đơn, điều khiển cả van nạp và van xả bằng một trục duy nhất. Ưu điểm của hệ thống này là thiết kế gọn gàng, chi phí sản xuất thấp và dễ bảo trì. Tuy nhiên, với số lượng van bị giới hạn (thường chỉ 2 hoặc 3 van mỗi xi-lanh), khả năng tối ưu luồng khí nạp và xả chưa thực sự cao, nên thường được áp dụng trong các mẫu xe phổ thông.
- DOHC (Double Overhead Camshaft) là cơ cấu có hai trục cam riêng biệt, một điều khiển van nạp và một điều khiển van xả. Thiết kế này cho phép bố trí 4 van hoặc nhiều hơn cho mỗi xi-lanh, tăng lưu lượng khí, nâng cao hiệu suất và công suất động cơ. Đây là loại được sử dụng phổ biến trong các dòng xe hiện đại, xe thể thao và xe có yêu cầu cao về khả năng tăng tốc.
- Cơ cấu phân phối khí biến thiên (VVT – Variable Valve Timing) là công nghệ tiên tiến cho phép thay đổi thời điểm đóng mở xu-páp tùy theo điều kiện vận hành thực tế của động cơ. Mỗi hãng xe có tên gọi khác nhau cho công nghệ này như VTEC của Honda, VVT-i của Toyota hay Vanos của BMW. VVT giúp động cơ hoạt động linh hoạt, tăng công suất khi cần thiết, đồng thời giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm khí thải ở điều kiện vận hành thông thường.
- Cơ cấu phân phối khí không trục cam (Camless) là công nghệ mới chưa phổ biến rộng rãi, trong đó xu-páp không còn được điều khiển bởi trục cam mà bằng hệ thống điện tử hoặc thủy lực. Điều này cho phép điều khiển độc lập từng van một cách chính xác, mang đến hiệu quả cao nhất trong việc kiểm soát hỗn hợp nạp và khí thải. Camless là xu hướng của tương lai với tiềm năng lớn về tối ưu hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu.
Phân loại theo số lượng van
- Động cơ 2 van trên mỗi xi-lanh là cấu hình cơ bản nhất, gồm 1 van nạp và 1 van xả. Cấu trúc này đơn giản, dễ chế tạo, chi phí thấp và phù hợp với các mẫu xe nhỏ, xe giá rẻ hoặc các dòng xe đời cũ. Tuy nhiên, lượng khí nạp và khí xả bị giới hạn, nên khả năng đốt cháy nhiên liệu không tối ưu, hiệu suất thấp hơn so với các loại động cơ có nhiều van hơn.
- Động cơ 3 van trên mỗi xi-lanh gồm 2 van nạp và 1 van xả, cho phép cải thiện quá trình đưa khí nạp vào buồng đốt. Cấu trúc này giúp tăng công suất và hiệu quả so với loại 2 van, đồng thời giữ chi phí sản xuất ở mức vừa phải. Tuy nhiên, khả năng xả khí vẫn còn bị giới hạn do chỉ có một van xả, nên hiệu suất chưa thể sánh bằng loại 4 van.
- Động cơ 4 van trên mỗi xi-lanh là cấu hình được sử dụng phổ biến hiện nay, gồm 2 van nạp và 2 van xả. Thiết kế này cho phép dòng khí ra vào buồng đốt lưu thông dễ dàng hơn, tăng khả năng đốt cháy nhiên liệu và làm mát buồng đốt hiệu quả. Các động cơ 4 van thường kết hợp với công nghệ DOHC để tối ưu hiệu suất, khả năng tăng tốc và tiết kiệm nhiên liệu vượt trội.
- Động cơ 5 van hoặc nhiều hơn trên mỗi xi-lanh là cấu hình cao cấp, thường thấy trong các động cơ hiệu năng cao hoặc xe thể thao. Một ví dụ điển hình là động cơ 5 van với 3 van nạp và 2 van xả, nhằm tăng lượng khí đi vào buồng đốt và cải thiện đáng kể hiệu quả vận hành ở tốc độ cao. Tuy nhiên, chi phí chế tạo và bảo dưỡng cao, đồng thời sự phức tạp trong thiết kế khiến loại này không được phổ biến rộng rãi.
Cơ cấu phân phối khí có nhiệm vụ gì?
Cơ cấu phân phối khí là một hệ thống quan trọng trong động cơ đốt trong, đặc biệt là động cơ 4 kỳ. Hệ thống này có nhiệm vụ điều khiển chính xác quá trình đóng mở các xu-páp (van) để đảm bảo việc nạp không khí hoặc hòa khí vào buồng đốt và thải khí cháy ra ngoài đúng thời điểm. Việc đóng mở này phải được đồng bộ hoàn hảo với chu kỳ chuyển động của piston trong xi-lanh để động cơ vận hành hiệu quả, tiết kiệm nhiên liệu và hạn chế phát thải.
- Điều khiển thời điểm nạp và xả khí: Nhiệm vụ chính và quan trọng nhất của cơ cấu phân phối khí là điều khiển thời điểm mở và đóng của van nạp và van xả trong từng chu kỳ vận hành của động cơ. Khi piston di chuyển xuống trong kỳ nạp, van nạp cần mở để khí hoặc hòa khí đi vào xi-lanh. Đến kỳ xả, van xả phải mở để khí cháy được đẩy ra ngoài. Thời điểm đóng mở các van này cần được tính toán chính xác tuyệt đối để đảm bảo hiệu suất đốt cháy và giảm tiêu hao nhiên liệu.
- Đảm bảo sự đồng bộ với chu kỳ làm việc của động cơ: Cơ cấu phân phối khí làm việc theo nguyên tắc đồng bộ với trục khuỷu và piston nhờ vào hệ thống truyền động (dây curoa, xích cam hoặc bánh răng). Điều này giúp đảm bảo van nạp và van xả hoạt động đúng thời điểm, phù hợp với bốn kỳ của động cơ: hút, nén, nổ, xả. Nếu không đồng bộ, việc đóng mở van sai lệch có thể gây mất áp suất, hiện tượng kích nổ sớm, hoặc làm giảm công suất đáng kể của động cơ.
- Hỗ trợ quá trình đốt cháy tối ưu: Khi thời điểm và độ mở của van được điều khiển chính xác, lượng không khí hoặc hòa khí nạp vào buồng đốt sẽ đạt mức tối ưu, giúp cho quá trình đốt cháy diễn ra hoàn toàn. Điều này nâng cao hiệu suất nhiệt của động cơ, từ đó cải thiện khả năng vận hành và tiết kiệm nhiên liệu. Một hệ thống phân phối khí tốt còn giúp giảm lượng khí thải độc hại, góp phần bảo vệ môi trường.
- Tạo điều kiện cho áp dụng công nghệ hiện đại: Cơ cấu phân phối khí còn là nền tảng để tích hợp các công nghệ tiên tiến như VVT (Variable Valve Timing), VTEC, hay camless, cho phép thay đổi thời điểm và hành trình van tùy theo điều kiện vận hành thực tế. Nhờ đó, động cơ có thể linh hoạt hơn trong việc đáp ứng nhu cầu tải trọng, tăng tốc và giảm tiêu hao nhiên liệu ở các dải vòng tua khác nhau.
- Ổn định và nâng cao hiệu suất tổng thể của động cơ: Một cơ cấu phân phối khí vận hành hiệu quả sẽ giúp động cơ chạy êm, giảm rung lắc, nâng cao tuổi thọ cho cả hệ thống. Ngoài ra, hệ thống này còn giúp hạn chế hiện tượng đánh lửa sai thời điểm, kích nổ sớm, hoặc nhiệt độ buồng đốt tăng cao, vốn là nguyên nhân gây hư hỏng cho động cơ nếu không được kiểm soát tốt.
Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của cơ cấu phân phối khí
Cơ cấu phân phối khí đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển thời điểm nạp và xả khí trong động cơ. Tuy nhiên, hiệu suất hoạt động của hệ thống này có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau. Những trục trặc dù nhỏ cũng có thể gây ra hậu quả lớn, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng vận hành, công suất, mức tiêu hao nhiên liệu và tuổi thọ của động cơ.
- Sai lệch đặt thời gian phân phối (Camshaft Timing): Thời điểm đóng mở van được điều khiển bởi trục cam, nếu cam bị lệch thời điểm (sai cam) so với trục khuỷu, quá trình phối khí sẽ diễn ra không đúng lúc. Điều này có thể khiến hỗn hợp nhiên liệu không được nạp đủ, khí thải không được xả sạch, gây mất công suất, tiêu hao nhiên liệu nhiều hơn và tăng khí thải độc hại. Nguyên nhân thường do xích cam hoặc dây curoa bị giãn, lắp đặt sai vị trí hoặc trượt răng.
- Mòn, hư hỏng các bộ phận cơ cấu phân phối: Các bộ phận như trục cam, xu-páp, con đội, cò mổ, lò xo van khi bị mòn, cong vênh hoặc gãy sẽ làm giảm độ chính xác trong quá trình đóng mở van. Hậu quả là luồng khí đi vào và ra khỏi xi-lanh bị cản trở, dẫn đến giảm hiệu suất cháy, rung giật, máy yếu hoặc khó khởi động. Tình trạng này thường xảy ra khi xe sử dụng lâu năm mà không được bảo trì đúng cách.
- Vấn đề với hệ thống van biến thiên (VVT): Công nghệ van biến thiên (VVT) cho phép thay đổi thời điểm và độ mở van theo điều kiện vận hành. Khi hệ thống VVT bị lỗi, ví dụ như kẹt cơ cấu chấp hành, cảm biến bị hỏng hoặc dầu bẩn, sẽ làm thời điểm phối khí trở nên sai lệch. Điều này khiến xe hoạt động thiếu linh hoạt, hụt hơi ở dải tốc độ cao hoặc rung giật ở tốc độ thấp. Hệ thống VVT cần dầu sạch và áp suất dầu ổn định để hoạt động hiệu quả.
- Tắc nghẽn hệ thống khí nạp và xả: Bộ lọc gió bị bẩn, ống nạp bị nghẹt, bô xả hoặc bộ xúc tác (catalytic converter) bị tắc nghẽn sẽ làm hạn chế luồng khí ra vào động cơ. Khi luồng khí bị cản trở, lượng không khí hoặc khí xả không được di chuyển đúng mức, khiến quá trình phối khí mất cân đối, làm giảm hiệu suất cháy và công suất đầu ra. Tình trạng này cũng khiến động cơ nóng hơn và dễ bị kích nổ sớm.
- Lỗi cảm biến lưu lượng khí nạp (MAF) hoặc cảm biến áp suất đường ống nạp (MAP): Cảm biến MAF và MAP cung cấp thông tin về lưu lượng hoặc áp suất không khí nạp cho ECU để điều chỉnh lượng nhiên liệu phù hợp. Khi các cảm biến này bị lỗi hoặc sai số, ECU không thể điều khiển phối khí chính xác, dẫn đến hỗn hợp không khí – nhiên liệu bị sai lệch. Hậu quả là xe hao xăng, máy yếu, hụt hơi hoặc dễ chết máy.
- Dầu nhớt kém chất lượng hoặc thiếu dầu: Cơ cấu phân phối khí hoạt động nhờ vào sự bôi trơn của dầu nhớt. Khi dùng dầu nhớt kém chất lượng, bị nhiễm bẩn hoặc thiếu dầu, các bộ phận như trục cam, con đội, van… sẽ bị mài mòn nhanh chóng, gây kẹt van, mòn trục cam, hỏng bơm dầu hoặc hư hỏng hệ thống VVT. Ngoài ra, áp suất dầu không ổn định cũng khiến các cơ cấu thủy lực trong VVT hoặc con đội không hoạt động đúng.
- Lỗi bộ điều khiển động cơ (ECU): ECU (Engine Control Unit) là bộ não điều khiển toàn bộ quá trình phối khí, đánh lửa và phun nhiên liệu. Nếu ECU bị lỗi, lập trình sai hoặc nhận tín hiệu sai từ các cảm biến, nó sẽ đưa ra lệnh sai cho các hệ thống liên quan. Hậu quả là thời điểm mở van, phun xăng và đánh lửa không còn chính xác, gây giảm hiệu suất, xe chạy không ổn định, và thậm chí làm động cơ không thể khởi động được.
Hướng dẫn bảo trì cơ cấu phân phối khí
Cơ cấu phân phối khí đóng vai trò thiết yếu trong hoạt động của động cơ, đảm bảo quá trình hút – nén – nổ – xả diễn ra đúng thời điểm. Để hệ thống này vận hành ổn định và đạt hiệu suất tối đa, người dùng cần thực hiện bảo trì định kỳ và đúng cách. Dưới đây là các bước quan trọng trong quy trình bảo trì cơ cấu phân phối khí:
- Kiểm tra và thay dầu động cơ: Dầu nhớt là yếu tố sống còn giúp bôi trơn các chi tiết trong cơ cấu phân phối khí như trục cam, con đội và hệ thống van biến thiên. Người dùng cần kiểm tra mức dầu thường xuyên bằng que thăm dầu, đảm bảo dầu không quá thấp hoặc quá cao. Dầu động cơ nên được thay định kỳ theo khuyến cáo của nhà sản xuất, thường mỗi 5.000 đến 10.000 km tùy điều kiện sử dụng. Cùng với đó, lọc dầu cũng cần được thay mới để loại bỏ cặn bẩn. Sử dụng dầu nhớt chất lượng và đúng thông số kỹ thuật sẽ giúp kéo dài tuổi thọ hệ thống và đảm bảo vận hành êm ái.
- Kiểm tra và thay thế dây curoa hoặc xích cam: Dây curoa hoặc xích cam là bộ phận truyền động giữa trục khuỷu và trục cam, giúp đồng bộ hóa chuyển động giữa piston và xu-páp. Nếu dây curoa bị giãn, nứt hoặc mòn, có thể gây trượt răng hoặc đứt, dẫn đến sai lệch thời điểm phối khí, thậm chí gây hư hỏng nặng cho động cơ. Vì vậy, bạn nên kiểm tra dây curoa mỗi 60.000 – 100.000 km, thay mới khi có dấu hiệu xuống cấp. Với hệ thống dùng xích cam, nên kiểm tra độ căng và tiếng ồn bất thường, bảo dưỡng hoặc thay thế khi cần thiết để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định.
- Kiểm tra và điều chỉnh thời gian phân phối khí (Camshaft Timing): Thời điểm mở và đóng xu-páp phải được căn chỉnh chính xác để đảm bảo quá trình nạp và xả khí diễn ra hiệu quả. Nếu thời điểm phối khí bị lệch, xe sẽ hoạt động yếu, tăng tiêu hao nhiên liệu và dễ bị kích nổ sớm. Khi thay dây curoa, xích cam hoặc sau một thời gian dài vận hành, cần kiểm tra và căn chỉnh lại thời điểm phối khí bằng cách căn dấu định vị trên trục cam và trục khuỷu. Quá trình này nên được thực hiện bằng thiết bị chuyên dụng hoặc bởi kỹ thuật viên có kinh nghiệm.
- Kiểm tra và bảo dưỡng hệ thống van biến thiên (VVT): Hệ thống van biến thiên giúp điều chỉnh thời điểm phối khí linh hoạt theo điều kiện vận hành của xe. Tuy nhiên, hệ thống này dễ bị ảnh hưởng bởi dầu bẩn hoặc áp suất dầu không ổn định. Người dùng nên kiểm tra định kỳ van VVT và van solenoid điều khiển, làm sạch hoặc thay thế nếu có hiện tượng nghẹt dầu hoặc báo lỗi. Ngoài ra, việc sử dụng dầu nhớt chất lượng cao và thay dầu đúng kỳ hạn là cách đơn giản nhưng rất hiệu quả để giữ cho hệ thống VVT luôn hoạt động tốt.
- Kiểm tra các cảm biến khí nạp (MAF) và áp suất đường ống nạp (MAP): Cảm biến MAF và MAP là các cảm biến quan trọng giúp ECU xác định lượng không khí và áp suất hút vào động cơ để điều chỉnh thời điểm phối khí và lượng nhiên liệu phun phù hợp. Khi các cảm biến này bị lỗi hoặc bám bẩn, xe sẽ có hiện tượng hụt hơi, hao xăng và chạy không đều. Bạn nên vệ sinh cảm biến MAF bằng dung dịch chuyên dụng định kỳ và kiểm tra hoạt động của cảm biến MAP bằng thiết bị chẩn đoán. Nếu cảm biến hư hỏng, cần thay mới để hệ thống phối khí hoạt động chính xác.
- Kiểm tra và bảo dưỡng hệ thống khí xả: Hệ thống khí xả, bao gồm ống xả, bộ xúc tác (catalytic converter) và cảm biến oxy, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả xả khí và kiểm soát khí thải. Nếu đường ống bị tắc, rò rỉ hoặc bộ xúc tác bị nghẹt, khí thải sẽ không được xả hết, làm giảm hiệu suất động cơ và tăng tiêu hao nhiên liệu. Hãy kiểm tra định kỳ hệ thống này, đặc biệt khi có tiếng ồn bất thường từ bô, xe yếu máy hoặc báo lỗi hệ thống khí thải. Việc vệ sinh hoặc thay mới cảm biến oxy cũng rất cần thiết để đảm bảo ECU điều chỉnh phối khí tối ưu.
- Kiểm tra hệ thống lọc không khí: Bộ lọc không khí có nhiệm vụ ngăn bụi bẩn đi vào buồng đốt. Nếu lọc gió bị bẩn hoặc tắc nghẽn, lượng không khí nạp vào sẽ giảm, khiến ECU tính toán sai lượng nhiên liệu cần thiết, làm giảm hiệu suất động cơ và tăng khí thải. Bạn nên kiểm tra và vệ sinh lọc gió định kỳ mỗi 10.000 – 20.000 km hoặc sớm hơn nếu xe thường xuyên đi trong môi trường bụi bặm. Khi lọc gió quá bẩn, cần thay thế ngay để đảm bảo quá trình nạp khí diễn ra bình thường.
- Kiểm tra và thay thế các bộ phận mòn khác: Các chi tiết cơ khí trong cơ cấu phân phối khí như trục cam, xu-páp, cò mổ, con đội, lò xo van… đều có thể bị mòn theo thời gian. Khi có tiếng gõ lạch cạch, động cơ rung mạnh, hoặc hiệu suất giảm bất thường, bạn nên kiểm tra các chi tiết này. Khe hở xu-páp cũng cần được đo và điều chỉnh lại theo tiêu chuẩn kỹ thuật để đảm bảo đóng mở đúng thời điểm. Việc thay thế các chi tiết mòn hoặc biến dạng sẽ giúp khôi phục hiệu quả hoạt động và kéo dài tuổi thọ của toàn bộ hệ thống.
Như vậy, có thể thấy rằng cơ cấu phân phối khí giữ vai trò cực kỳ quan trọng trong hoạt động của động cơ đốt trong. Với nhiệm vụ điều khiển chính xác quá trình đóng mở van nạp và van xả, hệ thống này đảm bảo cho chu trình hút – nén – nổ – xả diễn ra trơn tru, đồng bộ và hiệu quả. Khi hiểu rõ cơ cấu phân phối khí có nhiệm vụ gì, bạn sẽ chủ động hơn trong việc kiểm tra, bảo dưỡng và xử lý các sự cố liên quan đến động cơ, góp phần nâng cao hiệu suất vận hành và kéo dài tuổi thọ phương tiện.
