Lịch sử

Mặc dù ngày nay, hệ thống thông khí hộp trục khuỷu tích cực (PCV) được dùng để giảm khí thải trị xấu gây ô nhiễm không khí, nhưng mục đích thiết kế ban đầu của hệ thống này nhằm tìm cách giúp động cơ có thể vận hành dưới nước mà không bị nước tràn vào bên trong. Hệ thống PCV đầu tiên được phát minh trong Chiến tranh thế giới thứ hai, có vai trò giúp động cơ xe tăng có thể lội qua những vùng nước sâu, khi đó hệ thống ống thông hơi sẽ làm nước tràn vào cácte và gây hư hỏng động cơ.[5]

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.[6] 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.[7] 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.[8]

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.[3][9]

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.[10]

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.[11] 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.[12]

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.[11]

Khi dừng động cơ, van PCV đóng kín đường nạp nhờ lực nén của lò xo bên trong van. Khi động cơ hoạt động không tải hoặc tải thấp, lực hút chân không ở cổ góp hút cao, lượng khí cácte thấp. Khi đó, lực hút chân không cao sẽ khép van PCV (gần như đóng hẳn). Khí sạch được cung cấp vào hộp trục khuỷu thông qua ống thở, thay thế lượng khí lọt trong hộp trục khuỷu. Khi động cơ vận hành ở chế độ bình thường, bướm ga (throttle) mở ở mức trung bình, tải và tốc độ động cơ cao hơn, dẫn đến sinh ra nhiều khí lọt hơn. Tuy nhiên, lực hút chân không đường nạp thấp hơn, lực đàn hồi của lò xo van PCV sẽ chống lại sự chênh lệch áp suất, làm mở rộng van, cho phép nhiều khí cácte đi vào cổ góp hút. Ống hơi vẫn đóng vai trò cung cấp khí sạch thay thế cho lượng khí lọt từ cácte. Khi động cơ vận hành ở chế độ tải nặng hoặc vận tốc cao, bướm ga mở lớn, áp suất chân không đường nạp giảm về gần bằng 0. Lực nén lò xo trong van PCV sẽ giữ van mở cực đại, tăng lượng khí lọt về đường nạp.[12]

Tính năng thứ hai của van PCV là nhằm dập lửa kích nổ và ngăn áp suất từ hệ thống nạp đi xuống hộp trục khuỷu (hiện tượng cháy ngược). Vấn đề này thường xảy ra ở những động cơ tăng nạp hoặc khi xảy ra hiện tượng cháy ngược. Áp suất từ đường nạp sẽ có thể gây hư hỏng vòng găng, đệm kín của trục khuỷu. Do vậy, khi áp suất gây ra bởi hiện tượng cháy ngược, van PCV sẽ đóng lại ngăn áp suất này đi xuống hộp trục khuỷu.

Vị trí lắp đặt van PCV (đường ra của khí thoát cácte) thường đặt cách đường vào của ống thở cácte càng xa càng tốt. Ví dụ, ống thở và van PCV thường nằm ở nắp van đối diện nhau ở động cơ chữ V, hoặc trên hai đầu đối diện nhau trên cùng nắp van ở động cơ xi lanh thẳng hàng. Van PCV thường được đặt trên nắp van, nhưng cũng có thể nằm bất kỳ vị trí nào giữa đường ra của khí thoát cácte (trên nắp xi lanh) và cổ góp hút.