Khái Quát Về Động Cơ Đốt Trong

Định nghĩa:
Động cơ đốt trong là loại động cơ nhiệt trong đó việc đốt cháy nhiên liệu và quá trình chuyển từ nhiệt năng thành cơ năng được tiến hành ngay trong xi lanh động cơ.
– Hiệu suất động cơ đốt trong cao từ 20 45%.
– Kích thước nhỏ gọn, dễ sử dụng.
Phân loại động cơ đốt trong:
Dựa theo kết cấu chia thành các loại sau:
– Động cơ đốt trong kiểu piston.
– Động cơ đốt trong kiểu tua bin.
– Động cơ đốt trong kiểu phản lực.
– Các loại động cơ đặc biệt khác như động cơ Wankel.
Động cơ đốt trong kiểu piston hiện nay được sử dụng phổ biến trên ô tô và chương trình môn học chỉ tập trung tìm hiểu kiểu động cơ đốt trong này. Từ đây nói tới động cơ đốt trong chúng ta hiểu là nói về động cơ đốt trong kiểu piston.

1.1.3 Phân loại động cơ đốt trong kiểu piston
– Theo số kỳ có 2 loại:
+ Động cơ 4 kỳ: Chu trình làm việc trải qua 4 kỳ.
+ Động cơ 2 kỳ: Chu trình làm việc trải qua 2 kỳ.
– Theo cách nạp khí vào xi lanh có 2 loại:
+ Động cơ không tăng áp: Khí hỗn hợp hay không khí được nạp vào xi lanh do piston hút.
+ Động cơ tăng áp: Khí hỗn hợp hay không khí được một bơm nén (tuabin) nén tới áp suất 0.5kg/cm2 và đẩy vào xi lanh.
– Theo sự hình thành khí hỗn hợp có 2 loại:
+ Hình thành khí hỗn hợp bên ngoài xi lanh: Động cơ xăng, động cơ ga.
+ Hình thành khí hỗn hợp bên trong xi lanh: Động cơ Diezen.
– Theo nhiên liệu sử dụng có 3 loại:
+ Động cơ xăng: Nhiên liệu là xăng
+ Động cơ diezen: Nhiên liệu là dầu Diezen
+ Động cơ khí ga: Nhiên liệu dùng là khí ga
– Theo phương pháp làm mát có 2 loại:
+ Động cơ làm mát tự nhiên ( bằng gió )
+ Động cơ làm mát cưỡng bức ( bằng nước )
– Theo cách sắp xếp xi lanh có các loại: ( hình 1.13)
+ Động có thẳng hàng kiểu chữ I,
+ Động cơ kiểu chữ V, hình sao, xi lanh đặt đối xứng.....
– Theo số xi lanh có các loại: Động cơ 1 xi lanh, 2 XL,3XL.....
– Theo phương pháp đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu có 2 loại:
+ Đốt cháy cưỡng bức ( dùng tia lửa điện - động cơ xăng )
+ Nhiên liệu tự cháy ( phun nhiên liệu với áp suất cao - động cơ diezen)

Hình 1.13 Các kiểu sắp xếp xi lanh động cơ
1.2. SƠ ĐỒ CẤU TẠO VÀ CÁC ĐỊNH NGHĨA
VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
1.2.1 Sơ đồ cấu tạo động cơ xăng 4 kỳ ( 1 xi lanh)


Hình1.21 Sơ đồ cấu tạo động cơ xăng 4 kỳ

Động cơ bao gồm:
– Các chi tiết tĩnh: Thân máy, nắp máy, đáy máy, xi lanh, bu gi, bộ chế hoà khí...
– Các chi tiết động: Piston, thanh truyền, trục khuỷu, bánh đà, xupáp hút, xupáp xả, các lò xo xupáp, trục cam, các bánh răng dẫn động trục cam và con đội...
1.2.2 Các định nghĩa về động cơ đốt trong
1. Điểm chết:
– Là các vị trí trong xi lanh mà tại đó piston thay đổi hướng chuyển động. Có hai vị trí điểm chết:
+ Điểm chết trên ( ĐCT ): Là vị trí của đỉnh pitston trong xi lanh ở xa tâm trục khuỷu nhất.
+ Điểm chết dưới ( ĐCD ): Là vị trí của đỉnh piston trong xi lanh ở gần tâm trục khuỷu nhất.

Hình 1.22 Điểm chết, hành trình piston S, thể tích buồng cháy Vc,
thể tích toàn bộ xi lanh Va

2. Hành trình của piston ( S )
– Là khoảng dịch chuyển của piston trong xi lanh từ ĐCT xuống ĐCD ( hoặc ngược lại )
3. Kỳ công tác
– Là một phần của chu trình làm việc xảy ra trong xi lanh khi piston thực hiện một hành trình chuyển động của nó.
4. Thể tích công tác của xi lanh ( Vh )
– Là thể tích giới hạn bởi thành xi lanh và các vị trí ĐCT, ĐCD của piston ( là thể tích phần không gian được giải thoát khi piston dịch chuyển từ ĐCT tới ĐCD ):
( cm3, l )
D: đường kính của xi lanh ( mm )
S: Hành trình của piston ( mm )
5. Thể tích buồng cháy ( Vc )
– Là thể tích phần không gian giới hạn bởi thành xi lanh, nắp máy và đỉnh piston khi nó ở ĐCT.
6. Thể tích toàn bộ xi lanh ( Va)
– Là tổng thể tích buồng cháy và thể tích công tác của xi lanh
Va = Vc + Vh ( cm3, l )
7. Tỷ số nén ( )
– Là tỷ số giữa thể tích toàn bộ của xi lanh và thể tích buông cháy:

x = 7 12
D = 17 25
8. Thể tích làm việc của động cơ (Ve )
– Là tổng thể tích công tác của các xi lanh trong động cơ
Ve = i.Vh
Vh: Thể tích công tác của xi lanh
i : Số xi lanh trong động cơ
9. Công suất có ích của động cơ ( Ne )
– Là công suất đo được tại bánh đà của động cơ bằng đinamomét hoặc bằng phanh. Đơn vị đo: Mã lực hoặc Kw
10. Suất tiêu hao nhiên liệu ( g)
– Là lượng tiêu hao nhiên liệu cho một mã lực trong một giờ ( ge ), đây là chỉ tiêu đánh giá tính kinh tế của động cơ.
( g / ml.h )
11. Hiệu suất động cơ ( )
– Là tỉ số giữa công suất có ích của động cơ và năng lượng nhiệt cung cấp.

Gnl: lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ
Qtk: nhiệt trị thấp của 1 kg nhiên liệu

1.3 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ 4 KỲ
( 1 xi lanh)
1.3.1 Động cơ xăng 4 kỳ
1. Sơ đồ cấu tạo: (Hình 1.21)
2. Nguyên lý làm việc ( Hình 1.31)
– Để thực hiện một chu trình làm việc động cơ trải qua bốn hành trình dịch chuyển của piston, tương ứng với bốn kì, theo thứ tự: hút, nén, nổ, xả.
+ Kỳ hút:
Piston đi từ điểm chết trên ( ĐCT ) xuống điểm chết dưới ( ĐCD ). Xupáp hút mở, xupáp xả đóng, tạo sự giảm áp trong xi lanh ( p = 0,75 0,85 at ) hút khí hỗn hợp ( xăng + không khí) vào xi lanh, nhiệt độ buồng đốt t 90 0 C 125 0 C
+ Kỳ nén:
Hai xupáp đều đóng, piston đi từ ĐCD lên ĐCT, nén hỗn hợp khí. Cuối kỳ nén áp suất và nhiệt của khí hỗn hợp tăng cao ( p 7 15 at ; t 350 0 C )


Kỳ hút Kỳ nén Kỳ nổ Kỳ xả

Hình 1.31. Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ xăng 4 kỳ

+ Kỳ nổ: ( cháy – giãn nở – sinh công )
Khi piston lên đến gần ĐCT, hai xupáp vẫn đóng, lúc này bugi đánh lửa, khí hỗn hợp nén bị đốt cháy giãn nở làm áp suất tăng cao ( p 35 40 at ) đẩy piston đi xuống làm quay trục khuỷu. Nhiệt độ buồng đốt tăng cao t 2200 2500 0 C
+ Kỳ xả:
Xupáp hút đóng, xupáp xả mở. Piston đi từ ĐCD lên ĐCT đẩy khí thải ra ngoài. Cuối kỳ xả, áp suất buồng đốt p 1,1 at ; t 300 400 0 C
Tóm lại: Để động cơ hoàn thành một chu trình làm việc, trục khuỷu quay hai vòng và trục cam quay một vòng. Trong bốn kỳ có một kỳ sinh công và ba kỳ tiêu hao công.
1.3.2 Động cơ Diezen 4 kỳ
1. Sơ đồ cấu tạo ( hình 1.32.)
– Động cơ Diezen 4 kỳ có cấu tạo giống như động cơ xăng 4 kỳ, chỉ khác động cơ Diezen 4 kỳ không có bộ chế hoà khí và bugi nhưng lại có bơm cao áp và vòi phun nhiên liệu.
2. Nguyên lý làm việc:
– Động cơ Diezen có chu trình làm việc tương tự như động cơ xăng 4 kỳ. Chu trình gồm 4 kỳ, làm việc theo thứ tự: hút, nén, nổ, xả.
+ Kỳ hút:
Piston đi từ ĐCT xuống ĐCD xupáp hút mở, xupáp xả đóng, không khí sạch được hút vào xi lanh, áp suất và nhiệt độ trong xi lanh thấp ( p 0,8 0,9 at ; t0 100 0C ).
+ Kỳ nén:
Piston đi từ ĐCD lên ĐCT, cả hai xupáp đều đóng không khí sạch được nén có áp suất và nhiệt độ tăng cao ( p 30 40 at ; t 0 550 750 0C )


Hình 1.32 Sơ đồ cấu tạo của động cơ
diezen 4 kỳ
1 Nắp máy; 2. Cò mổ; 3. Vòi phun 4. Xupáp nạp; 5.Xupáp xả; 6. Xi lanh; 7. Piston; 8. Chốt piston; 9. Thanh truyền; 10. Bánh đà; 11. Gối trục chính; 12. Trục khuỷu; 13. Bánh răng; 14. Trục cam; 15. Bơm cao áp; 16. Con đội ; 17. Bầu lọc không khí.
+ Kỳ nổ ( cháy, giãn nở, sinh công):
Gần cuối kỳ nén cả hai xupáp đều đóng, lúc này nhiên liệu được phun vào buồng đốt với áp suất cao ( p 150 250 at ), tơi, sương hoà trộn với không khí tạo thành khí hỗn hợp và tự bốc cháy, làm áp suất và nhiệt độ buồng đốt tăng cao ( p 650 750 at; t0 2000 2200 0C ), đẩy piston đi từ ĐCT xuống ĐCD, làm quay trục khuỷu.
+ Kỳ xả:
Xupáp xả mở, xupáp hút đóng. Piston đi từ điểm chết dưới lên điểm chết trên đẩy khí thải ra ngoài. Cuối kỳ xả, áp suất buồng đốt p 1,1 at ; t 300 400 0C.
Tiếp theo quá trình làm việc được lập lại.

1.4 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ 2 KỲ
1.4.1 Động cơ xăng 2 kỳ
1. Sơ đồ cấu tạo: ( Hình 1.41)
– Trên thành xi lanh bố trí ba cửa: Cửa xả, cửa hút, cửa nạp (quét). Piston tham gia đóng, mở các cửa này.


2. Nguyên lý làm việc (hình 1.42)
– Chu trình làm việc gồm hai kỳ:
+ Kỳ thứ nhất:
Piston đi từ ĐCD lên ĐCT, khi piston đóng kín cửa nạp và cửa xả thì hỗn hợp khí được nạp trước đó bắt đầu được nén, đồng thời tạo giảm áp trong khoang hộp trục khuỷu. Khi piston mở cửa hút, hỗn hợp khí mới được hút vào khoang hộp trục khuỷu.
+ Kỳ thứ hai:
Khi piston đi đến gần ĐCT, bugi đánh lửa, khí hỗn hợp bị đốt cháy, giãn nở tạo áp suất cao đẩy piston đi từ ĐCT xuống ĐCD. Khi piston đi xuống đóng cửa hút, hỗn hợp trong khoang hộp trục khuỷu được nén lại. Khi đến gần ĐCD piston mở cửa xả, thải khí cháy ra ngoài, tiếp theo piston mở cửa nạp và khí hỗn hợp mới trong khoang hộp trục khuỷu được nạp vào xi lanh, đồng thời quét đẩy tiếp khí xả ra ngoài. Sau đó theo quán tính piston chạy trở lên thực hiện kỳ tiếp theo.


Hình 1.42 Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ xăng 2 kỳ
1.4.2 Động cơ Diezen 2 kỳ
1. Sơ đồ cấu tạo:( Hình 1.43)

b) Kỳ thứ hai) a) Kỳ thứ nhất

Hình 1.43 Sơ đồ cấu tạo động cơ điêzen 2 kỳ
và nguyên lý làm việc
1. Ống hút; 2. Bánh bơm của bơm nén; 3. Piston;
4. Xupáp xả; 5. Vòi phun; 6. Ống góp xả; 7.Khoang khí nén; 8. Cửa nạp ( quét)

Động cơ dùng bơm nén, nén không khí vào xi lanh và quét khí thải ra ngoài. Hai van xả bố trí trên nắp máy mở cùng một lúc, mở trước và đóng sau cửa nạp.
2. Nguyên lý làm việc
+ Kỳ thứ nhất ( xả, quét nạp và nén không khí, phun nhiên liệu )
Piston đi ĐCD lên ĐCT. Ban đầu xupáp xả và cửa nạp cùng đang mở, bơm nén, nén không khí sạch vào xi lanh đồng thời quét đẩy nốt khí thải của chu trình trước ra ngoài. Khi xupáp xả đóng và piston đóng kín cửa nạp, không khí sạch bắt đầu được nén lại. Quá trình nén kết thúc khi piston lên tới ĐCT.
+ Kỳ thứ hai ( cháy giãn nở, xả, quét nạp khí mới ):
Khi piston lên tới gần ĐCT nhiên liệu được phun vào buồng đốt với áp suất cao hoà trộn với không khí thành khí hỗn hợp và tự bốc cháy, giãn nở tạo áp suất cao đẩy piston đi xuống làm quay trục khuỷu. Khi piston đi đến gần ĐCD, xupáp xả mở, khí thải được thoát ra ngoài. Sau đó piston mở cửa nạp không khí được bơm nén nạp vào xi lanh đồng thời quét đẩy tiếp khí thải ra ngoài.

---