Công nghệ Desmodromic Valve – Đóng mở van tích cực

Desmodromic valve là công nghệ đóng mở van (xupap) tích cực của động cơ pittông bằng cơ cấu cam và đòn bẩy, chứ không phải bằng một lò xo thông thường.

Desmodromic Valve là gì?

Desmodromic có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp, Desmos có nghĩa là “liên kết” và Dromos có nghĩa là “đường đi”. Do đó, nó thể hiện các tính năng quan trọng của việc xupap động cơ liên tục được “gắn kết” với trục cam, đóng mở một cách liền mạch. Trong Desmodromic Valve, hệ thống cam và đòn bẩy sẽ đóng xupap một cách tích cực thay vì một cơ cấu lò xo thông thường.

Trong động cơ thông thường, cam sẽ đóng vai trò mở xupap, lò xo hồi vị trên xupap sẽ đóng vai trò đóng xupap. Nhưng trong động cơ có Desmodromic vale sẽ có hai cam và hai bộ truyền động cho một xupap, mỗi bộ thực hiện vai trò đóng hoặc mở tích cực, chủ động. Tuy nhiên, các kỹ sư đã thiết kế chúng không có lò xo hồi vị.

Tại sao Công nghệ Desmodromic Valve xuất hiện

Hệ thống lò xo xupap cơ bản phù hợp với các động cơ sản xuất hàng loạt truyền thống có tốc độ quay ở mức vừa phải và có thiết kế yêu cầu bảo dưỡng thấp. Ở giai đoạn phát triển desmodromic ban đầu, lò xo xupap là một hạn chế lớn đối với hiệu suất của động cơ vì chúng sẽ gãy do mỏi kim loại.

Vào những năm 1950, các quy trình nấu chảy chân không mới đã giúp loại bỏ tạp chất khỏi kim loại trong lò xo xupap, làm tăng tuổi thọ và hiệu quả của chúng lên rất nhiều. Tuy nhiên, nhiều lò xo vẫn sẽ hỏng khi hoạt động liên tục ở tốc độ trên 8000 RPM.

Hệ thống desmodromic được tạo ra để khắc phục vấn đề này bằng cách loại bỏ hoàn toàn sự cần thiết của một lò xo. Hơn nữa, khi tốc độ RPM tối đa tăng, lò xo yêu cầu phải có lực lớn hơn để ngăn chặn hiện tượng phao van (Valve float) và nảy van, dẫn đến lò xo lớn hơn (với khối lượng lò xo tăng và do đó quán tính lớn hơn), lực cản cam và độ mài mòn cao hơn trên các bộ phận ở mọi tốc độ. Và các vấn đề được giải quyết bởi cơ chế desmodromic.

Phao van (nổi van) là một điều kiện bất lợi xảy ra khi xupap trên hệ thống phân phối khí động cơ đốt trong không kịp phục hồi trở lại tiếp xúc với trục cam trong giai đoạn đóng van của biên dạng cam. Điều này làm giảm hiệu quả và hiệu suất của động cơ và có khả năng làm tăng lượng khí thải động cơ.

Nảy van là một tình trạng liên quan trong đó van không ở yên vị trí, do tác động kết hợp giữa quán tính của van và tác động cộng hưởng của lò xo van kim loại làm giảm hiệu quả lực đóng và cho phép van mở lại một phần.

Bộ truyền động van Desmodromic ra đời bởi những tuyên bố rằng lò xo không thể đóng van một cách đáng tin cậy ở tốc độ cao và lực gây ra bởi lò xo mạnh phù hợp vượt quá những gì mà cam có thể chịu được. Kể từ đó, phao van được phân tích và tìm ra nguyên nhân phần lớn là do cộng hưởng trong lò xo van tạo ra sóng nén dao động giữa các cuộn lò xo.

Chụp ảnh tốc độ cao cho thấy ở tốc độ cộng hưởng cụ thể, lò xo van không còn tiếp xúc ở một hoặc cả hai đầu, khiến van trôi nổi trước khi đâm vào cam khi đóng.

Vì lý do này, hầu hết các động cơ sẽ có 2 lò xo van lồng vào nhau, một số có đến 3 lò xo, lò xo bên ngoài lớn và là lò xo chính đóng vai trò đóng van, các lò xo bên trong giúp giảm dao động cộng hưởng không đáng có.

Lò xo van cứng hơn có thể giúp ngăn chặn sự nổi của van và độ nảy của van, nhưng nó làm tăng tổn thất ma sát và lực cản. Nhiều kỹ thuật khác nhau đã được sử dụng để bù đắp ảnh hưởng của lò xo cứng hơn, chẳng hạn như van lò xo kép và van lò xo liên tục, van khí nén trong Công thức một.

Ảnh hưởng thứ cấp ít rõ ràng hơn là lò xo van thường nặng bằng van mà chúng truyền động, có nghĩa là tổng khối lượng cần được di chuyển bởi các cơ cấu truyền động (đai, ổ trục, trục) cũng cần lớn hơn để tránh những hư hỏng do mỏi. Trọng lượng kết hợp của cơ cấu và năng lượng cần thiết để vượt qua lực lò xo và lực ma sát cộng thêm yêu cầu là một phần lớn hơn công suất có sẵn của động cơ đang được sử dụng để kích hoạt van.

Nếu trong một ứng dụng đua xe, động cơ lò xo van thông thường có giới hạn vòng tua khoảng 10.000 vòng/phút, thì cùng động cơ đó khi được trang bị hệ thống van Desmodromic sẽ có tốc độ lên tới 15.000 vòng/phút và công suất lớn hơn nhiều.

Trong cơ cấu van truyền thống, khi tốc độ động cơ tăng lên, quán tính của hệ thống van sẽ vượt qua khả năng đóng van hoàn toàn của lò xo trước khi pít-tông đạt đến Điểm chết trên. Điều này có thể dẫn đến một số vấn đề. Đầu tiên, piston sẽ va chạm với van và do đó làm hỏng động cơ. Thứ hai, van sẽ không hoàn toàn trở lại vị trí của nó trước khi quá trình đốt cháy bắt đầu. Điều này làm cho khí và áp suất trong xi lanh thoát ra sớm, làm giảm hiệu suất của động cơ và có thể làm van quá nhiệt, gây cong vênh hoặc hỏng van.

Trong động cơ có hệ thống van Desmodromic, nó sẽ khắc phục vấn đề này bằng cách chủ động đóng và mở van mà không sợ quán tính của van. Tuy nhiên, hệ thống này nên được trang bị thêm một lò xo nhỏ sẽ giúp cho van được đóng kín hơn.

Nhà sản xuất mô tô Ý Ducati sử dụng hệ thống van desmodromic (không có lò xo) để giải quyết vấn đề này và cho phép động cơ đạt tốc độ cao hơn. Hệ thống bao gồm một cơ cấu nâng cơ học sử dụng một cánh tay gạt thứ hai để đẩy van đóng. Các nhà sản xuất động cơ Công thức 1 sử dụng hệ thống khí nén để đóng các van để cho phép RPM rất cao mà không xảy ra phao van.

Ưu điểm của van Desmodromic:

Van Desmodromic mở và đóng các van một cách cơ học. Không cần lò xo, do đó không cần hao tổng lực cho việc thắng lực ép của lò xo.

Về lý thuyết, bạn có thể quay động cơ nhanh nhất có thể tùy theo mức mà các piston sẽ hỗ trợ.

Loại bỏ hiện tượng phao van ở tốc độ cao.

Hệ thống này phải đối phó với quán tính của hai tay quay trên mỗi van. Vì vậy, lợi thế này phụ thuộc vào kỹ năng của nhà thiết kế.

Nhược điểm của van Desmodromic:

Không có lò xo trong hệ thống làm cho nó phải chịu sự khác biệt về dung sai và độ giãn nở. Kết quả là, các van bị lỏng khi động cơ nguội, dẫn đến nhiệt đi đến những nơi không nên. Do đó, nó dẫn đến sự gia tăng lớn về độ mòn.

Động cơ ồn hơn.

Bởi vì không thể hoàn toàn đóng tất cả các điểm trượt trong hệ thống, sẽ gặp khó khăn trong việc duy trì màng dầu ổ trục. Chúng có xu hướng bị va vào cam, dẫn đến mòn cục bộ.