Cơ cấu phối khí thường được phân thành 2 loại: có xu páp và không có xu páp. Loại không có xu páp (kiểu van trượt) thường được dùng ở các động cơ 2 kỳ (xem phần 1.3, chương I). Loại này sử dụng chủ yếu trên các động cơ mô tô hoặc các động cơ cỡ nhỏ, hiếm khi gặp trên các động cơ ôtô và các loại động cơ công suất lớn.

Phần lớn các động cơ ôtô sử dụng cơ cấu phối khí kiểu xu páp. Tuỳ theo cách bố trí xu páp mà có thể phân biệt 2 loại cơ cấu phối khí: loại thứ nhất có xu páp nằm bên dưới (trong thân máy), thường gọi là xu páp đặt (hình 3.1- a) và loại thứ hai có xu páp bố trí bên trên, ngay trong nắp máy, gọi là xu páp treo (hình 3.1- b). Động cơ có xu páp trên thường có ký hiệu OHV (overhead valve).

Trục phân phối được dẫn động quay từ trục khuỷu của động cơ nhờ một trong ba phương pháp sau đây: truyền động bánh răng (các bánh răng 1 và 2 trên hình 3.1), truyền động đai răng, hoặc truyền động xích. Trên trục phân phối có các vấu cam có biên dạng được thiết kế để đảm bảo đúng chu trình phối khí, mỗi cam điều khiển một xu páp. Khi trục quay, nếu con đội đang tiếp xúc với phần thấp của cam (mặt trụ) thì con đội và đũa đẩy đang ở vị trí thấp nhất, lúc này xu páp bị đóng chặt nhờ lực của các lò xo. Khi vấu cam (phần cao) tiếp xúc với con đội thì con đội và đũa đẩy bị nâng lên, đầu trên của đũa đẩy tỳ vào đầu dưới của vít chỉnh làm quay đòn mở (theo chiều mũi tên trên hình 3.2). Khi đó đầu còn lại của đòn mở tỳ lên đuôi xu páp và đẩy nó đi xuống, lò xo bị ép lại và xu páp mở ra. Khi đỉnh của vấu cam đi qua khỏi con đội thì con đội cùng với đũa đẩy bắt đầu đi xuống và xu páp đóng lại.

Khi xu páp đang ở trạng thái đóng thì giữa đầu tỳ của đòn mở và mặt tiếp xúc ở đuôi xu páp phải có khe hở nhất định để đảm bảo cho xu páp đóng hoàn toàn (còn gọi là khe hở nhiệt). Đối với các loại động cơ đốt trong hiện nay, khe hở này nằm trong khoảng 0,2 ¸ 0,3 mm. Khe hở nhiệt cần được điều chỉnh thường xuyên trong quá trình sử dụng do các chi tiết tiếp xúc bị mài mòn dần. Cần lưu ý rằng, khi làm việc các chi tiết đều nóng lên và giãn nở làm khe hở giảm đi. Do vậy, nếu khi điều chỉnh để khe hở quá nhỏ thì có thể lúc làm việc khe hở này có thể bị triệt tiêu và xu páp không đóng hết (kênh xu páp). Ngược lại, nếu để khe hở lớn quá thì khi làm việc sẽ sinh ra va đập giữa đầu đòn mở và đuôi xu páp gây nên tiếng "gõ xu páp".

3.2- CÁC PHA CỦA QUÁ TRÌNH PHỐI KHÍ

Nói một cách lý thuyết thì các xu páp phải đóng và mở đúng vào các thời điểm khi pít tông đi qua các điểm chết. Trên thực tế chúng được mở sớm hơn (trước khi pít tông đi đến điểm chết và đóng muộn hơn (sau khi pít tông đã đi qua điểm chết). Phần mở sớm và đóng muộn thường được tính theo góc quay tương ứng của trục khuỷu.

Để có thể tăng được lượng khí nạp trong kỳ hút thì xu páp nạp được mở sớm khoảng 10 ¸ 20° trước khi pít tông lên tới ĐCT và nó chỉ được đóng lại khi pít tông đã đi qua điểm chết dưới được 40 ¸ 60° .

Xu páp xả được mở ở ngay cuối kỳ nổ, khi pít tông còn cách ĐCD khoảng 40 ¸ 65° và chỉ được đóng lại khi pít tông đã đi qua ĐCT khoảng 10 ¸ 20° . Việc mở sớm, đóng muộn xu páp xả nhằm mụch đích nhanh chóng giảm áp lực khí cháy trong xi lanh và nhờ đó và giảm lực cản chuyển động của pít tông khi nó bắt đầu di chuyển đi lên trong kỳ xả, đồng thời cũng là để có thể xả tối đa lượng khí thải ra ngoài.

Các góc đóng và mở các xu páp so với các điểm chết được tính theo góc quay của trục khuỷu gọi là các pha phối khí. Để có thể dễ dàng nhận biết các pha phối khí của động cơ, người ta thường thể hiện chúng dưới dạng biểu đồ phối khí (hình 3.3).

3.3- CẤU TẠO CÁC CHI TIẾT CƠ BẢN CỦA CƠ CẤU PHỐI KHÍ

Trục cam chính là chi tiết điều khiển việc đóng, mở và chuyển động của các xu páp tuân theo đúng chu trình làm việc của động cơ. Trục được làm bằng thép, cấu tạo bởi các các vấu cam và các cổ trục. Số lượng cam đúng bằng số xu páp, chúng được bố trí sao cho đảm bảo thứ tự nổ của các xi lanh của động cơ. Số cổ trục được tính toán, thiết kế tuỳ theo số lượng xi lanh và cách bố trí các xi lanh, sao cho đảm bảo độ cứng vững cho trục.

Biên dạng cam quyết định thời điểm đóng, mở các xu páp, vì vậy nó phải được tính toán sao cho đảm bảo được các pha phối khí của động cơ theo như thiết kế, còn chiều cao của đỉnh cam thì quyết định độ mở của xu páp. Hiện nay, được sử dụng phổ biến hơn cả là các cam có biên dạng đối xứng, nó đảm bảo đóng, mở xu páp một cách êm dịu và dứt khoát.

Thông thường các cam được chế tạo liền với trục. Để giảm ma sát và mài mòn khi làm việc, bề mặt của cam phải được gia công kỹ lưỡng: tôi thấm các bon, thấm ni tơ và mài bóng.

Các cổ của trục cam là vị trí lắp lên các gối đỡ trục, các gối này thường là các ổ trượt (các bạc hình trụ).

Trên các động cơ đốt trong hiện nay phổ biến 3 phương pháp dẫn động trục cam: bằng bánh răng, bằng dây đai răng và bằng xích (hình 3.4). Việc lựa chọn phương pháp dẫn động phụ thuộc vào vị trí bố trí trục cam, loại động cơ và truyền thống của hãng chế tạo. Chẳng hạn, các động cơ diezel công suất lớn thường sử dụng dẫn động bằng bánh răng với các trục cam bố trí dưới (trong thân máy). Các động cơ cỡ nhỏ, đặt trên các xe ôtô con thường sử dụng dẫn động xích hoặc đai răng.

Trên hình 3.2 là một ví dụ về dẫn động trục cam bằng bánh răng: bánh răng chủ động được lắp ở đầu trục khuỷu của động cơ và truyền động cho bánh răng (hoặc các bánh răng) trên trục cam. Tỷ số truyền của các cặp bánh răng này bằng 2 đối với các động cơ 4 kỳ và bằng 1 đối với các động cơ 2 kỳ. Trong một số trường hợp các bánh răng dẫn động bơm dầu bôi trơn, bơm nhiên liệu, bộ chia điện, ... cũng ăn khớp với bánh răng dẫn động cam, tạo thành một cụm và thường được bố trí trong một hộp nằm ở phía đầu động cơ. Để đảm bảo độ êm dịu và giảm độ ồn khi làm việc, các bánh răng dẫn động trục cam thường là các bánh răng nghiêng. Khi lắp các bánh răng này cần lưu ý đặt đúng theo dấu đã đánh trên các bánh răng.

Ưu điểm của dẫn động bằng bánh răng là có độ bền và tuổi thọ cao mà kết cấu lại đơn giản, tuy nhiên nó có nhược điểm lớn là ồn. Hiện nay, dẫn động trục cam bằng bánh răng chỉ còn được sử dụng chủ yếu trên các động cơ lớn, còn trên các động cơ ôtô con, nó được thay thế bằng dẫn động đai răng và dẫn động xích.

Đối với các động cơ có trục cam bố trí trên, ký hiệu OHC (overhead camshaft) và các động cơ có 2 trục cam bố trí trên, ký hiệu DOHC (dual overhead camshaft) thì trục cam nằm trên nắp máy, do vậy dẫn động bằng đai và xích thuận lợi hơn nhiều so với dẫn động bánh răng. Hơn nữa, các dạng dẫn động này làm việc có độ ồn ít hơn nhiều so với dẫn động bánh răng.

Dẫn động xích cũng cần phải được bôi trơn giống như dẫn động bánh răng. Để đảm bảo cho xích luôn có độ căng nhất định trong quá trình làm việc thì cần phải có cơ cấu căng xích tự động hoặc có thể điều chỉnh được. Ngoài ra, để tránh rung động quá mạnh của xích thì phải có bộ phận giảm chấn.

Dẫn động đai răng được sử dụng ngày càng nhiều trong thời gian gần đây và chiếm số nhiều trên các động cơ ôtô con. Điều này được lý giải bởi các ưu điểm nổi bật của dẫn động đai là: ít ồn hơn cả dẫn động xích, không cần bôi trơn và không đòi hỏi phải điều chỉnh độ căng trong quá trình sử dụng. Hơn nữa, dây đai nhẹ hơn nhiều so với các bánh răng hay xích. Tuy nhiên, để chế tạo được các dây đai đảm bảo độ bền và tuổi thọ cao thì cần phải có công nghệ cao.

Các xu páp được cấu tạo gồm 2 phần: đầu và thân. Đầu xu páp có hình đĩa, mặt làm kín (tỳ lên đế xu páp) được chế tạo vát hình côn (thường có góc nghiêng là 45° ). Đế xu páp nằm trên nắp máy và cũng có mặt vát tương tự. Đế có thể được gia công trực tiếp trên nắp máy (nếu nắp máy đúc bằng gang) hoặc chế tạo thành chi tiết rời rồi ép vào nắp máy (xem các hình 3.4 và 3.1- d). Các mặt tỳ của xu páp và đế phải được mài rà với nhau kỹ lưỡng trước khi lắp để đảm bảo độ kín. Thân xu páp di chuyển trong ống dẫn hướng, ống này thường được chế tạo độc lập sau đó ép vào nắp máy. Nó vừa có nhiệm vụ dẫn hướng vừa làm kín. Do vậy, phần thân xu páp trượt trong ống phải được gia công với độ chính xác và độ bóng cao. Đuôi của xu páp thường là nơi bố trí chi tiết hãm. Kết cấu của khoá hãm tương đối đa dạng, nhưng phổ biến hơn cả là loại khoá hãm 2 nửa: mặt ngoài côn, mặt trong trụ và có gờ ăn vào rãnh tiện trên đuôi xu páp. Khoá này chặn đĩa đỡ phía trên của lò xo, nhờ nó mà lực đẩy của lò xo được truyền sang thân xu páp, đảm bảo cho mặt tỳ của xu páp luôn tỳ chặt lên đế, nghĩa là đảm bảo độ kín cho buồng đốt khi xu páp ở trạng thái đóng.

Trong quá trình làm việc của động cơ, xu páp xả phải chịu nhiệt độ rất cao do luồng khí cháy đi qua nó ở kỳ xả. Vì vậy, xu páp xả thường được chế tạo bằng thép hợp kim chịu nhiệt, còn xu páp hút được chế tạo bằng thép crôm. Đôi khi phần đầu và thân của xu páp được chế tạo rời từ các loại vật liệu khác nhau và ghép lại với nhau bằng mối hàn. Trong một số trường hợp, thân và đầu xu páp được làm rỗng, trong đó chứa các loại muối nóng chảy hay natri kim loại (nóng chảy ở nhiệt độ 97° C). Khi gặp nhiệt độ cao, các chất này nóng chảy, làm tăng khả năng điều hoà nhiệt độ trên toàn thân xu páp (dẫn nhiệt nhanh từ vùng nóng sang vùng nhiệt độ thấp hơn) và làm giảm nhiệt độ cho khu vực chịu nhiệt cao của xu páp.

Lò xo xu páp có nhiệm vụ ép chặt mặt tỳ của xu páp lên đế của nó để đảm bảo giữ cho xu páp luôn đóng kín. Để định vị cho xu páp nằm chính xác trên đế của nó, trong nhiều trường hợp, người ta sử dụng 2 lò xo lồng vào nhau và có hướng xoắn ngược nhau.

Đối với các động cơ có xu páp trên (OHV) và trục cam đặt dưới thì các cam điều khiển các xu páp đóng mở theo đúng pha phối khí nhờ một hệ thống dẫn động cơ khí bao gồm con đội, đũa đẩy và đòn mở (các hình 3.1 và 3.2).

Con đội thường có dạng cốc hình trụ, mặt dưới của nó tỳ lên vấu cam, còn trong cốc chứa đầu dưới của đũa đẩy. Phía dưới của con đội có thể lắp con lăn hoặc có dạng hình nấm để giảm ma sát tiếp xúc trong quá trình làm việc.

Đũa đẩy có dạng đũa, làm bằng thép đặc hoặc rỗng, các đầu của nó có các mặt cầu để tỳ lên con đội (đầu dưới) hay đế của vít chỉnh ở đầu đòn mở (đầu trên). Các đầu tỳ này được tôi thấm các bon để đảm bảo độ bền chống mài mòn trong quá trình làm việc.

Đòn mở có dạng đòn quay quanh một trục với 2 nửa đòn có độ dài không bằng nhau. Các đòn được chế tạo từ thép bằng công nghệ dập, chúng được lắp lên trục của giàn xu páp thông qua các bạc bằng đồng. Đầu dài của đòn mở có mặt cầu để tỳ lên đuôi của xu páp.

Đối với các động cơ có trục cam đặt ở trên nắp máy (OHC và DOHC) thì cơ cấu phối khí không có đũa đẩy, các cam có thể tác động trực tiếp lên các xu páp hoặc thông qua các đòn mở đặc biệt.

Trên một số động cơ của ôtô du lịch hiện đại, người ta sử dụng con đội thuỷ lực với mục đích đảm bảo cho đầu dài đòn mở luôn tỳ sát vào đuôi của xu páp (không có khe hở nhiệt), nhờ nó mà trong quá trình sử dụng không cần phải điều chỉnh xu páp. Hơn nữa con đội thuỷ lực giúp cho cơ cấu làm việc êm dịu và ít ồn hơn.