Trong động cơ đốt trong, trục cam đóng một vai trò then chốt trong chức năng và hiệu suất. 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.
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 định thời gian. 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.
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.
Sự đổi mới đằng sau thiết kế của mỗi vấu trục cam và độ chính xác khi trục cam quay nhấn mạnh sự phức tạp của kỹ thuật ô tô hiện đại. Các bộ phận này hoạt động không mệt mỏi và không thể nhìn thấy được, nhưng chúng là nền tảng cho khả năng khai thác năng lượng từ nhiên liệu của động cơ.
Cơ bản về trục cam
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)
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
