Hệ thống thông khí hộp trục khuỷu

Trong động cơ đốt trong, hệ thống thông khí hộp trục khuỷu, hay còn gọi là hệ thống thông khí cácte (tiếng Anh: Crankcase ventilation system) có nhiệm vụ loại bỏ khí cháy khỏi cácte động cơ. Thông thường, hệ thống thông khí hộp trục khuỷu cấu tạo gồm một ống trụ, van một chiều, và nguồn hút chân không (ví dụ như cổ góp hút).

Những loại khí cháy không mong muốn, thường được gọi là "khí lọt" hoặc "khí sót" (blow-by), là những loại khí cháy từ buồng đốt đi qua các khe hở của vòng găng, lọt xuống cacte động cơ. Những loại động cơ sơ khai xả những khí cháy ra ngoài môi trường bằng cách xả qua vòng đệm cácte. Hệ thống thông khí hộp trục khuỷu đầu tiên là ống hút (road draught tube), thiết kế này sử dụng chân không riêng phần để hút khí thông qua đường ống và xả ra ngoài môi trường.

Hệ thống thông khí hộp trục khuỷu tích cực (Positive crankcase ventilation – PCV) được sử dụng lần đầu tiên trong thập niên 1960 và được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các động cơ hiện nay. Hệ thống PCV thay vì xả khí lượng khí lọt này ra ngoài không khí, thì dẫn hướng quay về hệ thống khí nạp và đốt cháy nó, giúp giảm ô nhiễm không khí.

Động cơ hai kỳ theo cơ cấu nén–cácte không cần sử dụng hệ thống thông khí hộp trục khuỷu vì trong nguyên lý hoạt động của động cơ này, khí cháy cácte vốn được dẫn vào buồng đốt.

Nguyên nhân gây ra khí lọt hộp trục khuỷu
Khí lọt, hay khí sót (tiếng Anh: blow-by), là hỗn hợp sản phẩm cháy từ buồng đốt bị "lọt" qua khe hở của vòng găng và đi xuống hộp trục khuỷu. Nếu không được thông khí, những loại khí lọt này sẽ ngưng tụ và kết hợp với hơi dầu nhờn trong cácte tạo thành cặn bẩn hoặc làm loãng dầu với nhiên liệu chưa cháy hoàn toàn, làm giảm chất lượng dầu và giảm tuổi thọ động cơ. Áp suất cácte quá lớn gây ra do khí lọt cũng có thể làm dầu bị lọt qua vòng đệm trục khuỷu và những vòng đệm kín khác. Do vậy, việc thông khí hộp trục khuỷu rất quan trọng trong quá trình hoạt động của động cơ.

Thông khí khí quyển
Trước thế kỷ 20, khí lọt thoát khỏi cácte động cơ do rò lọt qua vòng đệm kín. Thời điểm đó, việc dầu máy rỉ ra từ động cơ được xem là hiện tượng bình thường, ví dụ như những động cơ hơi nước ra đời những thập kỷ trước đó. Những vòng đệm và vòng bít trục được sử dụng để ngăn hiện tượng rò rỉ dầu, nhưng không ai nghĩ đến việc ngăn chặn hoàn toàn vấn đề này. Khí lọt tan lẫn vào dầu và từ đó rò rỉ ra ngoài môi trường, gây mùi và ô nhiễm môi trường.

Hệ thống thông khí hộp trục khuỷu đầu tiên sử dụng một ống thông hơi. Loại ống này có một đầu nối với cácte (hoặc từ nắp xupap trên động cơ cơ cấu trục cam trên đỉnh), đầu còn lại để hở, hướng xuống, đặt ở phía trượt sau (slipstream) của những phương tiện như xe hơi. Khi phương tiện di chuyển, dòng không khí đi qua đầu hở của ống thông hơi tạo lực hút, giúp thổi khí lọt ra khỏi cácte. Để tránh tạo áp suất chân không bên trong cácte, khí lọt được thay thế bằng khí sạch nhờ sử dụng một thiết bị gọi là "ống thở" (breather). Ống thở được đặt phía trên nắp ngăn chứa dầu. Trong những động cơ trước đây, hệ thống ống thông hơi vẫn gây ra mùi khó chịu và ô nhiễm không khí.

Đối với những phương tiện vận chuyển vận tốc chậm và tàu thuyền, hiện tượng dòng trượt (slipstream) không đủ tạo lực hút cho ống thông hơi. Trong những trường hợp này, động cơ phải tạo áp suất dương ở đầu ống thở để đẩy khí cháy ra khỏi cácte động cơ. Do vậy, đầu hút của ống thông hơi được đặt phía sau quạt tản nhiệt động cơ.

Vào đầu thập niên 1950, Giáo sư người Hà Lan, Arie Jan Haagen-Smit, đã chứng minh rằng hiện tượng ô nhiễm do động cơ xe hơi là nguyên nhân chính của vấn đề sương khói ở thành phố Los Angeles, bang California. Bộ Kiểm soát Ô nhiễm Phương tiện cơ giới California (tiền thân của Bộ Tài nguyên Không khí California) được thành lập vào năm 1960 và bắt đầu nghiên cứu phương pháp ngăn khí lọt trong cácte không xả ra môi trường bên ngoài. Hệ thống thông khí cácte PCV được thiết kế với nguyên lý khí lọt từ hộp trục khuỷu sẽ được dẫn tuần hoàn về đường hút, tại đó, khí lọt sẽ kết hợp với hỗn hợp nhiên liệu / khí sạch và được đốt cháy hoàn toàn trong buồng đốt. Năm 1961, bang California ban hành quy định yêu cầu tất cả xe hơi mới sản xuất phải sử dụng hệ thống PCV; đây là lần đầu tiên thiết bị kiểm soát khí thải ô nhiễm trên phương tiện xe cộ lần đầu được sử dụng.

Đến năm 1964, hầu hết xe hơi mới ở Mỹ được trang bị thiết bị tùy chọn để không phải tạo ra nhiều phiên bản xe riêng cho từng tiểu bang khác nhau. Van PCV nhanh chóng trở thành thiết bị tiêu chuẩn trên tất cả xe hơi trên toàn thế giới do thiết bị này không chỉ giúp giảm khí thải mà còn giúp bộ phận bên trong động cơ được sạch hơn và tăng thời gian sử dụng dầu nhờn.

Năm 1967, sau khi được sử dụng nhiều năm, hệ thống PCV trở thành đối tượng điều tra của Bồi thẩm đoàn Liên bang Hoa Kỳ, khi nhiều chuyên gia trong ngành công nghiệp ô tô đặt nghi vấn rằng Hội những nhà sản xuất xe ô tô (AMA) cố tình không sử dụng những thiết bị giảm khói thải để trì hoãn việc áp dụng công nghệ kiểm soát khói thải. Sau 18 tháng điều tra, Bồi thẩm đoàn phán quyết không đủ chứng cứ truy tố đối với AMA, nhưng đưa ra phán quyết đồng thuận đối với toàn bộ các công ty xe hơi Mỹ khi cam kết không hợp tác với nhau trong các hoạt động kiểm soát khói thải trong thời hạn 10 năm.

Trong những thập kỷ sau đó, những quy định pháp chế về khí xả phương tiện đã siết chặt hơn rất nhiều. Hầu hết những động cơ xăng ngày nay đều sử dụng hệ thống thông khí trục khuỷu PCV.

Ống thở
Để giúp hệ thống PCV có thể đẩy khí sót ra khỏi cácte, cácte phải có một nguồn cung cấp khí sạch (khí mới). Nguồn khí mới này được gọi là "ống thở cácte" (crankcase breather), được nối từ cổ góp hút động cơ. Ống thở thường có thêm các bộ phận như vách ngăn và lọc để ngăn hơi dầu làm nghẹt và hư hỏng thiết bị lọc khí động cơ.

Van PCV

Cácte động cơ sử dụng áp suất chân không hút thông qua van PCV. Mục đích của van PCV nhằm kiểm soát lượng khí lọt từ cácte đi vào cổ góp hút, giúp thông khí trong cácte, đồng thời không làm ảnh hưởng hỗn hợp hòa khí đi vào buồng đốt. Dòng khí đi qua cácte và các vùng bên trong động cơ có tác dụng đẩy những khí cháy ra ngoài. Hỗn hợp không khí / khí cháy cácte này sau đó sẽ đi qua một lớp lọc đơn giản như vách chắn, màng lọc, hoặc lưới lọc, dể loại bỏ những hạt dầu lơ lửng, sau đó đi qua van PCV và đi vào cổ góp hút. Trong một số hệ thống PCV, vách chắn dầu thường nằm trong một bộ phận gọi là "bộ tách dầu" (oil separator), có thể dễ dàng thay thế. Những thiết bị linh kiện không chính hãng được gắn thêm vào hệ thống tách dầu thường được gọi là bình gom dầu thừa (oil catch tank).

Van PCV về bản chất là một van một chiều, nối từ nắp xi lanh đến cổ góp hút (intake manifold) động cơ. Hai đầu van có cấu tạo như những lỗ tiết lưu có kích thước chính xác, với những bi van ở giữa. Bên trong van có một lò xo được hiệu chuẩn chính xác, có nhiệm vụ điều tiết dòng khí khi tốc độ và tải động cơ thay đổi.

Lưu lượng khí lọt thải ra từ hộp trục khuỷu nên được kiểm soát sao cho bằng với lưu lượng đi vào hộp trục khuỷu. Khí lọt sản sinh ra ít khi động cơ hoạt động không tải và sinh ra nhiều hơn khi động cơ chịu tải nặng; do vậy, van PCV cần điều tiết lượng khí lọt phù hợp tương ứng. Van PCV có vai trò cân bằng nhu cầu thông khí hộp trục khuỷu theo vận tốc động cơ. Van PCV hoạt động dựa trên áp suất chân không ở đường hút (nạp) vốn thay đổi theo tốc độ động cơ. Hệ thống này tạo một lực chân không nhỏ bên trong cácte và làm giảm việc rò rỉ dầu rớt xuống đường đua.

Tham khảo