Bài giảng nguyên lý làm việc của động cơ đốt trong powerpoin

Bài giảng viết về nguyên lý cấu tạo động cơ đốt trong, những nội dung cơ bản của môn học nguyên lý và cấu tạo động cơ đốt trong đã được biên soạn sẵn ở dạng power point, thích hợp để đi dạy được ngay

NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT

TRONG

GIÁO VIÊN: HOÀNG VĂN TUẤN

2 • NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC ĐCĐT

3 • QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC THỰC TẾ CỦA ĐCĐT

4 • NHỮNG THÔNG SỐ ĐĂC TRƯNG CHO CHU TRÌNH CÔNG TÁC ĐCĐT

5 • ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

6 • ĐỘNG CƠ Ô TÔ

việc của nó có thể phân thành hai quá trình cơ bản như sau:

+ Đốt cháy nhiên liệu để biến hoá năng của nhiên liệu thành nhiệt năng

+ Biến đổi một phần nhiệt năng thành cơ năng

+ Động cơ đốt ngoài: Quá trình đốt cháy nhiên liệu xảy ra ở ngoài động cơ.

Ví dụ: Động cơ hơi nước kiểu piston, động cơ tuốc bin hơi nước.

+ Động cơ đốt trong: Quá trình đốt cháy nhiên liệu xảy ra bên trong động.

Ví dụ: Động cơ đốt trong kiểu piston, động cơ tua bin khí và động cơ phản lực.

Theo cách thực hiện

chu trình công tác

Theo cách thực hiện

Theo nhiên liệu

dùng cho động cơ

Theo nhiên liệu

dùng cho động cơ

Động cơ dùng nhiên liệu lỏng (nhẹ)

Động cơ dùng nhiên liệu lỏng (nặng)

Động cơ dùng nhiên liệu thể khí

Động cơ đa nhiên liệu

Động cơ hình

thành khí hỗn hợp

bên ngoài

Động cơ hình thành khí hỗn hợp bên trong

do phun nhiên liệu vào

xi lanh

Động cơ đốt cháy cưỡng bức bằng tia lửa điện

Động cơ đốt cháy cưỡng bức bằng tia lửa điện

Động cơ tự cháy

Động cơ tự cháy

Theo phương pháp nạp của chu trình công tác

Động cơ không tăng áp

Động cơ không tăng áp

Động cơ tăng áp

Động cơ tăng áp

Theo phương pháp hình thành hỗn hợp khí

Theo phương pháp đốt cháy hỗn hợp khí

Theo phương pháp đốt cháy hỗn hợp khí

Theo cách bố trí xi lanh

Động cơ nhiều xilanh

Động cơ xi lanh đặt thẳng đứng

Động cơ xi lanh đặt thẳng đứng

Động cơ xi lanh đặt nằm ngang

Động cơ xi lanh đặt nằm ngang

Động cơ hình sao

v v

Động cơ hình sao

v v

Động cơ chữ V

Động cơ chữ V

Theo đặc điểm tốc độ của động

cơ

Theo đặc điểm tốc độ của động

cơ

Động cơ tốc độ thấp

Động cơ tốc độ thấp

Động cơ tốc độ trung bình

Động cơ tốc độ trung bình

Động cơ tốc

độ cao Động cơ tốc

độ cao

Động cơ tàu thủy

Theo công dụng của động cơ

Theo công dụng của động cơ

Động cơ tàu hỏa

Động cơ ôtô, máy kéo

Động cơ máy bay, Động cơ tĩnh tại

Tập hợp các quá trình (nạp, nén, cháy giãn nở và thải) có tính chu kỳ tạo nên chu trình công tác của động cơ đốt trong.

 Kì là một phần của chu trình công tác, xảy ra trong thời gian một hành trình của pittông .

 Như vậy:

1.2 Kì

Các em hãy quan sát sự chuyển động của hình

Các em hãy quan sát sự chuyển động của hình

Các em hãy quan sát sự chuyển động của hình

Các em hãy quan sát sự chuyển động của hình

Định nghĩa : Là điểm mà tại đó píston có

vận tốc bằng 0.

Ta sẽ có mấy điểm chết ?

ĐCD

Điểm chết trên (ĐCT) : của píston là điểm chết mà

píston cách xa đường tâm trục khuỷu nhất.

Điểm chết dưới (ĐCD): của píston là điểm chết mà

píston ở gần đường tâm trục khuỷu nhất.

ĐCD

S

 Là khoảng dịch chuyển của piston từ điểm chết này đến điểm chết kia.

 Đơn vị : m3

 Là thể tích phần không gian giới hạn

bởi mặt trong của xi lanh, mặt dưới của nắp

xi lanh, mặt trên của piston, khi piston ở

ĐCT.

ĐCD

 Trong đó: D - đường kính xilanh (m); S – hành trình

pittong (m)

 Là thể tích giới hạn bởi mặt trong của xi lanh và hai

mặt phẳng vuông góc với đường tâm xi lanh đi qua hai

Vh

 Đơn vị : m3

 Là thể tích phần không gian giới hạn bởi mặt trong của

xi lanh, mặt dưới của nắp xi lanh, mặt trên của piston, khi

piston ở điểm chết dưới.

Va

ĐCD ĐCT

Va

 Tỉ số nén là tỉ số giữa thể tích toàn phần và thể tích buồng cháy.

Môi chất công tác dùng để thực hiện chu trình công tác thực tế của động cơ

Môi chất công tác gồm:

+ Chất ôxy hóa + Nhiên liệu + Sản vật cháy Trong đó: Chất ôxy hóa thường là không khí

Hệ số dư lượng không khí dùng để đánh giá tỷ lệ giữa nhiên liệu và không khí trong hỗn hợp.

Hệ số dư lượng không khí là tỷ số giữa lượng không khí thực tế được nạp vào xi lanh, để đốt cháy 1 kg nhiên liệu và lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu.

Trong đó:

L : Lượng không khí thực tế nạp vào động cơ để đốt cháy 1 kg nhiên liệu nạp vào động cơ

L0 : Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu (Được xác định dựa vào tỷ lệ ô

xy có trong không khí và phương trình phản ứng giữa ô xy và nhiên liệu).

GK -Lưu lượng không khí thực tế nạp vào động cơ.

Gnl - Lưu lượng nhiên liệu đưa vào động cơ.

=

a) Kì nạp

piston đi từ ĐCT xuống ĐCD Thể tích trong xi lanh tăng, áp

suất giảm Xu páp nạp mở xu páp thải đóng, môi chất qua cửa

nạp nạp vào xi lanh của động cơ.

b) Kì nén

piston đi từ ĐCD lên ĐCT Các xu páp nạp và thải đều được

đóng kín Thể tích trong xi lanh giảm dần, môi chất trong xi

lanh bị nén, nhiệt độ và áp suất tăng dần Khi piston gần đến

ĐCT, nến điện bật tia lửa (động cơ xăng) hoặc vòi phun phun

nhiên liệu (động cơ Điêzen) bắt đầu thực hiện quá trình cháy.

c) Kì cháy - giãn nở

Píttông đi từ ĐCT xuống ĐCD Hành trình này gồm hai quá

trình đó là quá trình cháy và quá trình giãn nở Khi piston đến

ĐCT ở cuối hành trình nén, quá trình cháy đã được tiến hành,

nhiệt độ và áp suất trong xi lanh tăng cao, tạo áp lực lớn, piston

được đẩy đi xuống thực hiện quá trình giãn nở sinh công.

d) Kì thải

Pittông đi từ ĐCD – ĐCT Xupap nạp đóng, xupap thải mở.

Thể tích trong xi lanh giảm dần Môi chất công tác (sản vật

cháy) được đẩy ra ngoài qua cửa thải Khi piston lên đến ĐCT

thì kết thúc chu trình, chuẩn bị cho hành trình thứ nhất của

chu trình tiếp theo.

Chú ý : Trong thực tế

kế mở sớm hơn và đóng muộn hơn.

 Để quá trình cháy giãn nở được tốt hơn thì vòi phun được bố trí phun sớm hơn, trước khi piston đi đến ĐCT.

ĐỘNG CƠ XĂNG ĐỘNG CƠ DIESEL

 Hỗn hợp công tác được tạo thành ở ngoài

xilanh nhờ thiết bị phun xăng vào đường ống

nạp

 Hỗn hợp công tác được tạo ra ngay trong xilanh nhờ thiết bị bơm cao áp

 Hỗn hợp được cháy cưỡng bức bằng tia lửa  Nhiên liệu phun vào tự bố cháy nhờ nhiệt độ và

áp suất cao ở cuối kỳ nén

Động cơ đốt trong 4 kì thường được dùng trong các loại

động cơ nào ???

Ứng dụng : Trong ô tô, xe máy, tàu thủy

piston đi từ ĐCT xuống ĐCD Khi piston ở ĐCT quá trình cháy đã xảy ra, nhiệt độ và áp suất trong xi lanh đã tăng cao đẩy piston

đi xuống sinh công, đồng thời khi piston đi xuống, nó nén hỗn hợp trong buồng trục khuỷu Áp suất trong xi lanh tăng đến giá trị cực đại.

Sau đó piston càng đi xuống, áp suất càng giảm Khi mép trên của piston mở cửa thải , áp suất trong xi lanh vẫn lớn hơn áp suất khí trời nên khí thải thoát tự do ra ngoài qua cửa thải, áp suất trong xi lanh giảm nhanh

piston tiếp tục đi xuống, khi nó mở cửa quét , hỗn hợp có áp suất cao hơn áp suất khí trời từ buồng trục qua cửa nạp vào xi lanh Giai đoạn này có cả nạp và thải đồng thời nên gọi là giai đoạn quét khí Khi piston đến ĐCD, quá trình quét khí vẫn tiếp tục.

Như vậy ở hành trình này thực hiện các quá trình: Cháy, giãn nở, thải tự do, quét khí.

piston đi từ ĐCD lên ĐC T Lúc đầu quá trình quét khí vẫn tiếp tục Khi mép trên của piston đóng kín cửa quét thì quá trình quét khí chấm dứt, nhưng quá trình thải vẫn được thực hiện Do có cả khí nạp mới bị lọt ra ngoài nên giai đoạn này còn gọi là giai đoạn lọt khí nạp mới

Khi piston đóng kín cửa thải , quá trình thải kết thúc , quá trình nén bắt đầu piston càng đi lên, nhiệt độ và áp suất trong xi lanh càng tăng, đồng thời thể tích buồng trục khuỷu tăng, áp suất giảm Khi mép dưới của piston mở cửa nạp hỗn hợp qua cửa nạp nạp vào buồng trục Lúc piston gần đến ĐCT , nến điện bật tia lửa đốt cháy hỗn hợp công tác Khi piston đến gần ĐCT quá trình cháy bắt đầu để sau đó tiếp tục thực hiện hành trình thứ nhất của chu trình tiếp theo

Như vậy ở hành trình thứ hai thực hiện các quá trình: quét khí, thải, nén và bắt đầu quá trình cháy.

hai lần của động cơ bốn kỳ Nhưng thực tế, công suất của động cơ hai kỳ chỉ lớn hơn động cơ bốn kỳ từ 1,6 đến 1,8 lần, vì các lý do sau:

- Quá trình nạp và thải của động cơ bốn kỳ hoàn hảo hơn động cơ hai kỳ do thời gian thực hiện các quá trình đó dài hơn Mặt khác ở động

cơ bốn kỳ dễ chọn góc phối khí tốt nhất, nên hệ số nạp cũng cao hơn

- Góc quay của trục khuỷu ứng với quá trình giãn nở sinh công của động cơ bốn kỳ lớn hơn (động cơ bốn kỳ khoảng 1400 còn động cơ hai

kỳ chỉ từ 1000 đến 1200)

- Động cơ hai kỳ phải tốn một phần công suất dẫn động máy nén khí để thực hiện quét khí

- Khi muốn tăng công suất của động cơ bằng cách tăng áp thì động cơ bốn kỳ thực hiện dễ dàng hơn, vì ứng suất nhiệt của nó nhỏ hơn của động cơ hai kỳ

Hiệu suất của động cơ xăng hai kỳ nhỏ hơn của động cơ bốn kỳ Riêng với động cơ diesel hai kỳ có hiệu suất gần bằng động cơ diesel bốn kỳ.

4.3 Cấu tạo

Động cơ xăng hai kỳ có cấu tạo đơn giản hơn động cơ bốn kỳ vì không có các xu páp và cơ cấu dẫn động xu páp.

- Môi chất công tác trong chu trình lý tưởng có tỷ nhiệt và số lượng không thay đổi (nghĩa là không có quá trình nạp, thải môi chất công tác).

- Cấp nhiệt cho chu trình là từ nguồn nhiệt bên ngoài Như vậy không có quá trình cháy và tỏa nhiệt của nhiên liệu Thành phần môi chất của chu trình không đổi.

- Các quá trình nén và giãn nở là các quá trình đoạn nhiệt, không có tổn thất nhiệt do lọt khí.

- Với những đặc điểm nêu trên: Chu trình lý tưởng của động cơ đốt trong là chu trình kín, thuận nghịch và duy nhất chỉ có tổn thất nhiệt cho nguồn lạnh theo định luật nhiệt động II.

Chu trình thực tế của động cơ đốt trong là chu trình hở, không thuận nghịch Ngoài thải nhiệt cho nguồn lạnh còn có tổn thất do trao đổi nhiệt với môi trường, do đó nó có các đặc điểm:

- Môi chất công tác là khí thực, có tỷ nhiệt thay đổi theo áp suất và nhiệt độ Trong chu trình có sự thay đổi môi chất công tác qua việc nạp, thải.

- Thực hiện việc cấp nhiệt bằng cách đốt cháy nhiên liệu trong xi lanh do đó làm thay đổi tính chất lý, hóa của môi chất công tác.

- Có trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh nên các quá trình nén và giãn nở không phải là đoạn nhiệt.

- Vì có thêm tổn thất nhiệt cho môi trường nên hiệu suất nhiệt của chu trình thực tế nhỏ hơn của chu trình lý tưởng.

lúc đó (pd1) lớn hơn áp suất trước xu páp nạp (pk) nên khí nạp chưa vào được xi lanh Tuy vậy khí thải cũng không lên đường nạp (nếu góc mở sớm không lớn quá) vì: Xu páp nạp mở còn nhỏ và khí thải đang đi ra cửa thải với quán tính lớn Góc quay được của trục khuỷu ứng với đoạn (d1 - r) trên đồ thị gọi là góc mở sớm xu páp nạp

Việc mở sớm xu páp nạp nhằm làm giảm va đập cho xu páp mà vẫn tăng được tiết diện lưu thông tại cửa nạp ở thời điểm cần thiết Lúc piston đến ĐCT (điểm r), áp suất khí sót trong xi lanh (pr) vẫn lớn hơn áp suất trước xu páp nạp (pk) Khi piston đi xuống, áp suất trong xi lanh giảm dần, nhưng phải sau (ro) khi nó nhỏ hơn áp suất (pk) thì khí nạp mới vào được xi lanh piston đến ĐCD (điểm a),

áp suất trong xi lanh (pa) nhỏ hơn áp suất trước xu páp nạp một lượng là ∆pk do có tổn thất tại cửa nạp

là góc đóng muộn của xu páp nạp.

Đóng muộn xu páp nạp ngoài việc làm giảm va đập cho xu páp mà vẫn tăng được tiết diện lưu thông, còn lợi dụng độ

chênh áp (pK > pa) để nạp tiếp và lợi dụng quán tính của dòng khí nạp đang đi vào để nạp thêm Khi xu páp nạp đã đóng

kín (điểm d2) được coi là kết thúc quá trình nạp.

Nếu tính theo góc quay của trục khuỷu:

ϕ n = ϕ 1 + 180 0 + ϕ 2

ϕ 1 - Góc mở sớm xu páp nạp

ϕ 2 - Góc đóng muộn xu páp nạp

pr

lớn hơn áp suất khí trời (po) và thường lớn hơn áp suất khí sót (pr) Vì vậy ngay sau khi xu páp nạp mở (điểm d1), khí nạp

đã vào xi lanh để thực hiện quét buồng cháy

Quá trình quét khí chấm dứt khi xu páp thải đóng kín (điểm r) Đến cuối hành trình nạp (điểm a) áp suất trong xi

lanh (pa) vẫn nhỏ hơn áp suất pk một lượng là ∆pK Để lợi

dụng độ chênh áp vẫn còn và lợi dụng quán tính của dòng khí nạp để nạp thêm, xu páp nạp được bố trí đóng muộn sau ĐCD (điểm d2).

d2

a r

d1

b

quét khí thải khỏi xi lanh Sự thay đổi khí này được thực hiện

từ cuối hành trình giãn nở đến đầu hành trình nén

Gần cuối hành trình giãn nở (điểm b) cửa thải bắt đầu mở, sản

vật cháy được thải tự do ra đường ống thải, áp suất trong xi

lanh giảm nhanh Khi piston mở cửa quét (điểm d ) áp suất

trong xi lanh (pd) đã nhỏ hơn áp suất ở cửa quét (pK,),khí nạp

vào xi lanh để thực hiện quá trình quét khí (đoạn d- 0 trên đồ

nhưng vẫn lớn hơn áp suất trong ống thải (pth) Trong quá

trình quét khí, khí nạp mới vào xi lanh đồng thời vơí việc thải

sản vật cháy có lẫn cả khí nạp mới ra ngoài Khi cửa quét được

đóng kín quá trình quét khí kết thúc nhưng quá trình thải vẫn

tiếp tục Khi cửa thải đóng hoàn toàn (điểm a), quá trình nén

bắt đầu Áp suất trong xi lanh lúc đó (pa) vẫn lớn hơn áp suất

khí thải pr

Trị số của pa phụ thuộc vào pK và ∆ pK (tổn thất áp suất tại cửa nạp)

Khi tính toán nhiệt, áp suất pa thường được xác định bằng số liệu thực nghiệm Với động cơ 4 kỳ không tăng áp: pa =

(0,8 ÷ 0,9) pK Động cơ 4 kỳ có tăng áp: pa = (0,9 ÷ 0,96) pK.

- Hệ số khí sót ( γ r):

Ở cuối quá trình thải, sản vật cháy thường không được đẩy hết ra ngoài mà vẫn còn một lượng nào đó nằm lại trong xi lanh goị là khí sót Do có khí sót mà làm giảm lượng khí nạp Số lượng khí sót đó được xác định bằng một trị số tương đối gọi là hệ số khí sót ( γ r) Nó là tỷ số giữa số mol khí sót (Mr) với số mol khí nạp mới (M1).

+ Động cơ xăng khi toàn tải γ r = (0,08 ÷ 0,25)

+ Động cơ diesel γ r = (0,08 ÷ 0,25)

Với động cơ hai kỳ số lượng khí sót phụ thuộc vào chất lượng của quá trình quét khí γ r có thể thay đổi trong phạm vi

rộng, tuỳ thuộc kiểu động cơ khác nhau.

Quét vòng: γ r = (0,08 ÷ 0,25)

Quét thẳng: γ r = (0,06 ÷ 0,15)

Quét khí bằng hộp trục khuỷu: γ r = (0,25 ÷ 0,40)

Khí nạp mới vào xi lanh, nó được sấy nóng bởi nhiệt truyền từ vách xi lanh và được trộn với khí sót có nhiệt độ cao hơn, làm cho nhiệt độ của khí nạp cuối quá trình nạp (Ta) cao hơn nhiệt độ khi ở trước cửa nạp và thấp hơn nhiệt độ của khí sót: TK < Ta < Tr.

Dựa trên cơ sở cân bằng nhiệt lượng của khí nạp mới và khí sót, trước và sau khi chúng trộn lẫn với nhau và giả thiết rằng quá trình trộn

đó tiến hành ở áp suất không đổi Người ta tính được:

Để đánh giá mức độ hoàn thiện của quá trình nạp người ta dùng hệ số nạp

Hệ số nạp là tỷ số giữa lượng khí nạp mới (M1) có trong xi lanh ở đầu quá trình nén thực tế (mol hoặc kg) với lượng khí nạp mới có thể nạp đầy vào thể tích công tác (Vh) của xi lanh ở điều kiện áp suất và nhiệt độ trước cửa nạp (PK, TK), được gọi là lượng nạp lý thuyết (Mh)

Trong đó:

VK - Thể tích mà khí sót mới chiếm chỗ quy dẫn về điều kiện áp suất và nhiệt độ trước xu páp nạp.

γ K - Khối lượng riêng của khí nạp mới ở điều kiện áp suất và nhiệt độ trước xu páp nạp

+ Tỷ số nén ( ε )

+ Áp suất cuối quá trình nạp (pa)

+ Áp suất và nhiệt độ trước xu páp nạp (pK, TK)

+ Áp suất và nhiệt độ khí sót (pr, Tr)

+ Độ sấy nóng khí nạp mới ( ∆ T)

+ Ảnh hưởng của phụ tải động cơ (Mq)

+ Ảnh hưởng của góc phối khí.