Tổng hợp 12 chương nlđcđtđcđ

Nguyên lý động cơ đốt trong là một chủ đề quan trọng được giảng dạy trong trường Đại học Quy Nhơn. Đây là một môn học thuộc lĩnh vực cơ khí và động cơ, tập trung vào nguyên lý hoạt động và ứng dụng của các loại động cơ đốt trong.Môn học này bắt đầu bằng việc giới thiệu các khái niệm cơ bản về động cơ đốt trong, bao gồm các thành phần chính như xilanh, piston, van và hệ thống nhiên liệu. Sinh viên sẽ tìm hiểu về nguyên lý hoạt động của động cơ đốt trong, từ quá trình hút, nén, đốt và xả khí.Môn học cũng tập trung vào các công nghệ mới và phát triển trong lĩnh vực này, bao gồm các hệ thống phun nhiên liệu, hệ thống điều khiển và sử dụng năng lượng tái tạo. Sinh viên sẽ được tìm hiểu về hiệu suất và khả năng vận hành của các loại động cơ đốt trong khác nhau, và cách tối ưu hóa chúng để đạt được hiệu quả cao và tiết kiệm nhiên liệu.

Chương I KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

1.1 Giới thiệu chung

Kể từ khi con người phát minh được kỹ thuật biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác, mà chủ yếu biến thành cơ năng thì sức lao động con người được được giải phóng đáng kể, năng suất lao động tăng cao

Sự ra đời của động cơ đốt trong đã giúp các phương tiện giao thông vận tải thô

sơ trước đó của con người như: xe ngựa, xe bò, xe kéo,… được cơ giới hoá thành các phương tiện giao thông vận tải ngày nay như các loại xe ôtô, máy kéo, tàu thuỷ, tàu hoả, máy bay, … Cho đến nay động cơ đốt trong vẫn là nguồn động lực chính dẫn động chúng

Động cơ đốt trong chiếm vai trò quan trọng trong quá trình cơ giới hoá sản xuất mọi lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp, ngư nghiệp, xây dựng, khai thác, hoá chất, dầu mỏ, giao thông vận tải, Chúng ta có thể tóm lượt lịch sử phát triển của động cơ đốt trong như sau:

Năm 1860: Động cơ đốt trong đầu tiên được ra đời do ông Lenoir là một người hầu bàn và một nhà kỹ thuật nghiệp dư ở Paris chế tạo Động cơ chạy bằng khí đốt,

có hiệu suất nhiệt 2  3% Được coi là năm ra đời của động cơ đốt trong đầu tiên trên thế giới

Năm 1876: Nicôla Aogut Ôttô một nhà buôn ở thành phố Koin Đức chế tạo một loại động cơ cũng chạy bằng khí đốt nhưng đạt hiệu suất cao hơn với hiệu suất nhiệt 10%

Năm 1877: Nicôla Aogut Ôttô (Đức) phối hợp với Lăng Ghen (Pháp) đề xướng

ra nguyên lí động cơ 4 kì và chế tạo thử một chiếc chạy bằng khí than

Năm 1885: Gôlip Đemlơ (Đức) đã chế tạo thành công động cơ đốt trong đầu tiên chạy bằng xăng

Năm 1886: Hãng Daimler - mayach cho xuất xưởng động cơ xăng đầu tiên có công suất có ích bằng 0,25 mã lực với tốc độ vòng quay 600 vòng/phút

Năm 1892: Động cơ Diesel được phát minh nhờ vào kỹ sư người Đức Rudolf Diesel, hoạt động theo nguyên lý tự cháy Ở gần cuối quá trình nén, nhiên liệu được phun vào buồng cháy động cơ để hình thành hòa khí rồi tự bốc cháy

Năm 1897: Ruđônphơ Saclơ Sređiêng Diesel (kĩ sư người Đức) đã chế tạo thành công động cơ đốt trong chạy bằng nhiên liệu nặng, công suất 20 mã lực Động cơ

Diesel đầu tiên ra đời có hiệu suất nhiệt khá cao 26 %

Đến năm 1927: Robert Bosch mới phát triển bơm cao áp (bơm phun Bosch lắp cho động cơ Diesel trên ôtô thương mại và ôtô khách vào năm 1936)

Năm 1954: Động cơ piston (píttông) quay do hãng NSU- Wankel chế tạo

Hệ phun xăng điện tử đầu tiên được thương mại hóa bởi Bosch 1955 trên Wright R-3350 Hệ thống này cải biến trên trên hệ thống diesel có áp lực cao được gắn cánh bướm ga (diesel cổ điển không có bướm ga) Nó dùng một bơm xăng bình thường cung cấp nhiên liệu cho vòi phun được tăng áp vào buồng đốt Khi kết hợp với valve Desmo trong xe đua 300SL tạo ra một sức >100 mã lực /mỗi 1000 cc xem ra còn tốt hơn các xe ngày nay không xài turbo Cũng vào năm 1955, Mercedes – Benz đầu tiên ứng dụng phun xăng trực tiếp vào buồng cháy của động cơ 6 cylinder (Mercedes – Benz 300SL) với thiết bị bơm tạo áp suất phun của Bosch Tuy nhiên, việc ứng dụng này bị quên lãng do vào thời điểm đó các thiết bị điện tử chưa được phát triển và ứng dụng nhiều cho động cơ ôtô, nên việc điều khiển phun nhiên liệu của động cơ thuần tuý bằng cơ khí, và việc tạo hỗn hợp phân lớp cho động cơ chưa được nghiên cứu như ngày nay Vì vậy, so với quá trình tạo hỗn hợp ngoài động cơ thì quá trình tạo hỗn hợp trong buồng đốt cũng không khả quan hơn nhưng kết cấu và giá thành thì cao hơn nhiều

Sản phẩm điện tử EFI thương mại đầu tiên là Electrojector ra đời 1957 do American Motors cho động cơ 288 bhp (214.8 kW) Nhưng chưa đưa vào sản xuất đại trà

Năm 1957: Chrysler sử dụng hệ phun xăng điện tử EFI (electronic fuel injection) ra đời trên thương mại bởi Bendix Corporation và 1958 Chrysler trên xe Chrysler 300D, Dodge D500, Plymouth Fury và DeSoto Adventurer Nhưng bản quyền sáng chế lại về tay Bosch

Năm 1967: Bosch phát minh hệ EFI gọi là D-Jetronic (D for Druck, German

=áp suất) trên xe VW 1600TL Đây là một hệ dùng vận tốc và tỉ trọng không khí để tính toán khối lượng khí cần rồi từ đó tính thể tích nhiện liệu cần Hệ thống này sử dụng những cảm biến cơ điện tử là những thứ bị ảnh hưởng bởi rung động và tạp chất Sau đó, Năm 1967: các hệ K-Jetronic và L-Jetronic ra đời Các hệ thống này dùng cảm biến lưu lượng khí nạp, kế tiếp các cảm biến về áp suất, nhiệt độ không khí nạp sau đó đến cảm biến khối lượng không khí nạp ra đời

Năm 1982: Bosch giới thiệu một hệ có cảm biến đo trực tiếp khối lượng khí nạp

gọi đó là LH-Jetronic (L for Luftmasse and H for Hitzdraht, German for "air mass" and "hot wire", respectively) Cảm biến này dùng một cuộn platin nung nóng đặt trong luồng khí nạp Tốc độ làm lạnh cuộn dây tỉ lệ với khối lượng khí thổi qua đo trực tiếp khối lượng khí LH Jetronic: là một hệ EFI hoàn chỉnh đầu tiên làm cơ bản cho sau này Sự tiến bộ của việc tạo ra những vi mạch số (digital microprocessor) cho phép tổng hợp về một nguồn điều khiển chung

Với sự phát minh của EFI, Honda đã áp dụng ngay phương pháp này cho xe của hãng mình Với một số kiểu xe giá rẻ ở Bắc Mỹ dùng EFI dưới tên gọi PGM-FI vào cuối thập niên 1980 trên dòng xe Accord và Prelude trang bị động cơ Honda A20A, A20A3 và A20A4 Năm 1986, Honda Civic gắn PGM-FI Năm 1998, xe gắn máy đầu tiên trên thế giới sử dụng PGM-FI là VFR800FI

Năm 1986: Bosch đã đưa ra thị trường việc điều khiển điện tử cho hệ thống cung cấp nhiên liệu Diesel được gọi là hệ thống nhiên liệu Common Rail

Đến năm 1996, với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật điện tử, động cơ xăng ứng dụng phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt được Mitsubishi Motors đưa trở lại thị trường tại Nhật với tên mới đó là GDI (Gasoline direct injection), và tiếp theo đó nó xuất hiện tại châu Âu vào năm 1998 Mitsubishi đã áp dụng kỹ thuật này sản xuất hơn 400.000 động cơ cho dòng xe 4 chỗ đến trước năm 1999

Tiếp theo sau, là hàng loạt các hãng nổi tiếng như PSA Peugeot Citron, Daimler Chrysler (với sự cho phép của Mitsubishi) cũng đã áp dụng kỹ thuật này cho dòng động cơ của mình vào khoảng năm 2000 – 2001 Volkswagen/Audi cũng cho ra mắt động cơ GDI vào năm 2001 nhưng dưới tên gọi FSI (Fuel Stratified Injection) BMW không chịu thua kém đã cho ra đời động cơ GDI V12

Các nhà sản xuất xe hàng đầu như General Motors cũng đã áp dụng kỹ thuật GDI cho động cơ của mình để cho ra đời dòng xe mới vào những năm 2002 Sau cùng

đó là Toyota cũng phải từ bỏ việc tạo hỗn hợp ngoài động cơ để chuyển sang tạo hỗn hợp trong buồng đốt và đã ra mắt thị trường với động cơ 2GR – FSE V6 vào đầu năm

2006

Ngày nay, với những điều luật khắc khe về ô nhiễm khí xả nhiều loại động cơ khác nhau như: động cơ điện, tua bin khí, tua bin nước, động cơ chạy bằng nhiên liệu khí, năng lượng mặt trời, đã được nghiên cứu và sản xuất Song thực tế chưa thể hoàn toàn thay thế động cơ đốt trong dùng nhiên liệu lỏng (xăng, diesel) tinh chế từ dầu mỏ, đặc biệt là các loại động cơ đốt trong của ôtô, máy kéo, máy xây dựng, máy phát điện, tàu thủy, … do các lý do (giá thành chế tạo cao, không tiện dụng, không

nhỏ gọn, vấn đề tích trữ năng lượng, cơ sở hạ tầng, tâm lý người dùng, vấn đề an toàn,

…) Do đó, động cơ đốt trong vẫn chiếm tỉ trọng rất lớn trong tổng năng lượng được

sử dụng trên toàn thế giới

1.2 Định nghĩa và phân loại động cơ đốt trong

1.2.1 Động cơ nhiệt:

Động cơ nhiệt là một loại máy biến đổi nhiệt năng của nhiên liệu thành cơ năng

Có thể phân quá trình công tác của động cơ nhiệt thành hai quá trình cơ bản như sau: Thứ nhất: là quá trình đốt cháy nhiên liệu, giải phóng hoá năng thành nhiệt năng

và gia nhiệt cho môi chất công tác Trong giai đoạn này xảy ra các hiện tựợng lý hoá rất phức tạp

Thứ hai: là quá trình biến đổi trạng thái của môi chất công tác, hay nói cách khác, môi chất công tác thực hiện chu trình nhiệt động để biến đổi một phần nhiệt năng thành cơ năng

Trên cơ sở đó ta có thể phân loại động cơ nhiệt thành hai loại chính là động cơ đốt ngoài và động cơ đốt trong Ở động cơ đốt ngoài, ví dụ máy hơi nứớc cổ điển trên tàu hoả, hai giai đoạn trên xảy ra ở hai nơi khác nhau Giai đoạn thứ nhất xảy ra tại buồng đốt và nồi hơi (xúp-de), kết quả đựợc hơi nước có áp suất và nhiệt độ cao Còn giai đoạn thứ hai là quá trình giãn nở của hơi nước trong buồng công tác và sinh công làm quay bánh xe Còn ở động cơ đốt trong, hai giai đoạn trên diễn ra tại cùng một vị trí, đó là bên trong buồng cháy của động cơ

Hai loại động cơ nói trên đều có hai kiểu kết cấu, đó là động cơ kiểu piston và kiểu tuốc-bin

Trong giáo trình này, chỉ xét đến động cơ đốt trong kiểu piston và từ đây gọi tắt

là động cơ đốt trong hay động cơ

1.2.2 So sánh động cơ đốt trong và động cơ khác:

1.2.2.1 Ưu điểm

- Hiệu suất có ích  lớn nhất, có thể đạt tới 50% hoặc hơn nữa Trong khi đó, emáy hơi nước cổ điển kiểu piston chỉ đạt khoảng 16%, tuốc bin hơi nước từ 22 đến 28%, còn tuốc bin khí cũng chỉ tới 30% Lý do chủ yếu là vì chu trình Các-nô tương đương của động cơ đốt trong có chênh lệch nhiệt độ trung bình của nguồn nóng và nguồn lạnh lớn nhất (Theo định luật Các-nô hiệu suất nhiệt t = −1 T T2 1, trong đó Tl

nhiệt độ nguồn nóng và T2 là nhiệt độ nguồn lạnh) Cụ thể trong động cơ đốt trong,

nhiệt độ quá trình cháy rất cao có thể đến 1800 đến 2700 K, trong khi nhiệt độ cuối quá trình giãn nở khá nhỏ, chỉ vào khoảng 900 đến 1500 K

- Kích thước và trọng lượng nhỏ, công suất riêng lớn Nguyên nhân chính là do quá trình cháy diễn ra trong buồng cháy của động cơ nên không cần các thiết bị cồng kềnh như lò đốt, nồi hơi và do sử dụng nhiên liệu có nhiệt trị cao (ví dụ như xăng, nhiên liệu diesel so với than, củi, khí đốt dùng trong động cơ đốt ngoài) Do đó, động cơ đốt trong rất thích hợp cho các phương tiện vận tải với bán kính hoạt động rộng

- Khởi động, vận hành và chăm sóc động cơ thuận tiện, dễ dàng

1.2.2.2 Nhược điểm

- Khả năng quá tải kém, cụ thể không quá 10% trong 1 giờ

- Tại chế độ tốc độ vòng quay nhỏ, mômen sinh ra không lớn Do đó, động cơ không thể khởi động được khi có tải và phải có hệ thống khởi động riêng

- Công suất cực đại không lớn Ví dụ, một trong những động cơ lớn nhất thế giới là động cơ của hãng MAN B&W có công suất 68.520 kW (số liệu 1997), trong khi tuốc-bin hơi bình thường cũng có công suất tới vài chục vạn kW

- Cấu tạo phức tạp, giá thành chế tạo cao

- Nhiên liệu cần có những yêu cầu khắt khe như hàm lượng tạp chất thấp, tính chống kích nổ cao, tính tự cháy cao nên giá thành cao Mặt khác, nguồn nhiên liệu chính là dầu mỏ ngày một cạn dần Theo dự đoán, trữ lượng dầu mỏ chỉ đủ dùng cho đến giữa thế kỷ 21

- Ô nhiễm môi trường do khí xả và ồn Tuy nhiên, động cơ đốt trong hiện nay vẫn là máy động lực chủ yếu, đóng vai trò vô cùng quan trọng trong các lĩnh vực của đời sống con người như giao thông vận tải, xây dựng, khai thác mỏ, nông nghiệp, ngư nghiệp Theo các nhà khoa học, trong vòng nửa thế kỷ tới vẫn chưa có động cơ nào

có thể thay thế được động cơ đốt trong

So sánh động cơ đốt trong và động cơ đốt ngoài:

- Có hiệu suất nhiệt cao: 30 - 45 %

- Nhiệt độ lớn nhất tmax = 25300C (tuy

- Có hiệu suất nhiệt thấp: nhỏ hơn hoặc bằng 15% với máy tua bin và 25 % tua bin hơi nước

nhiên chỉ tồn tại suốt trong một khoảng

thời gian rất nhỏ Vì so với toàn bộ chu

trình công tác của động cơ) và tiêu hao

nhiệt cho hệ thống làm mát ít hơn

- Nếu so sánh cùng công suất Ne thì:

+ Gọn nhẹ hơn không có thiết bị phụ

như nồi hơi, bộ nhưng tụ

+ Dễ khởi động, chỉ cần từ 3-5 giây

- Dùng ít nước thậm chí không cần nước

như động cơ làm mát bằng gió

- Dùng nhiên liệu đắt tiền hơn như xăng,

dầu diesel hoặc nhiên liệu ở thể khí

- Động cơ không tự khởi động được

- Nhiệt độ lớn nhất tmax ≤ 7000C tồn tại trong chu trình công tác của động cơ vật liệu chế tạo động cơ không chịu được nhiệt độ cao, cho nên tổn thất nhiệt cho việc giải nhiệt động cơ cao hơn

+ Nặng nề cồng kềnh hơn vì có các thiết

bị phụ: lò hơi, bộ ngưng tụ

+ Phải cần thời gian đốt lò hơi trước khi khởi động, thời gian khởi động hàng giờ

- Tốn nhiều nước, vì vậy rất hạn chế khi

sử dụng ở những nơi thiếu nước

- Dùng loại nhiên liệu rẻ tiền, nhiên liệu thể rắn hoặc thể đặc

- Động cơ tự khởi động được khi áp lực hơi nước đủ lớn

1.2.3 Phân loại động cơ trong

1.2.3.1 Theo cách thực hiện chu trình

- Động cơ bốn kỳ: là động cơ có chu trình công tác thực hiện sau bốn hành trình của piston hay hai vòng quay của trục khuỷu trong đó có một hành trình sinh công

- Động cơ hai kỳ: là động có chu trình công tác thực hiện sau hai hành trình của piston hay một vòng quay của trục khuỷu trong đó có một hành trình sinh công 1.2.3.2 Theo nhiên liệu sử dụng

- Động cơ nhiên liệu lỏng như xăng, diesel, cồn (methanol, ethanol), cồn pha xăng hoặc diesel, dầu thực vật

- Động cơ nhiên liệu khí (còn gọi là động cơ gas) Nhiên liệu khí bao gồm: khí thiên nhiên (Compressed Natural Gas - CNG), khí hoá lỏng (Liquidfied Petroleum Gas - LPG), khí lò ga, khí sinh vật (Biogas)

- Động cơ nhiên liệu kép (Dual Fuel) ví dụ như động cơ gas mồi bằng nhiên liệu lỏng như xăng hay diesel

- Động cơ đa nhiên liệu (Multi Fuel) như động cơ có thể dùng được cả nhiên

liệu nặng như diesel và nhiên liệu nhẹ như xăng, hoặc động cơ dùng cả xăng và khí đốt

1.2.3.3 Theo phương pháp hình thành khí hỗn hợp

- Hình thành khí hỗn hợp bên ngoài như động cơ xăng, động cơ gas Khi đó, động cơ khí dùng bộ chế hoà khí hay phun xăng vào đường nạp còn gọi là phun gián tiếp

- Hình thành khí hỗn hợp bên trong như động cơ diesel hay động cơ phun xăng trực tiếp (Gasoline Direct Injection - GDI) vào xi lanh Đối với mỗi loại động cơ cụ thể, ví dụ như động cơ xăng hay diesel, lại có các loại hình thành khí hỗn hợp khác nhau sẽ xét sau ở các chương sau

1.2.3.4 Theo phương pháp đốt cháy hỗn hợp

- Đốt cháy cưỡng bức như động cơ xăng, động cơ gas dùng tia lửa điện

- Đốt bằng tự cháy do nén như động cơ diesel nhờ áp suất và nhiệt động cao của không khí bị nén

1.2.3.5 Theo dạng chu trình nhiệt động

- Động cơ làm việc theo quá trình cấp nhiệt đẳng tích, loại này bao gồm những động cơ có tỷ số nén thấp (từ 5 đến 12), như động cơ sử dụng xăng, nhiên liệu cồn và khí

- Động cơ làm việc theo quá trình cấp nhiệt đẳng áp, loại này bao gồm những động cơ có tỷ số nén cao (từ 12 đến 24), như động cơ phun nhiên liệu bằng không khí nén và tự bốc cháy, động cơ sử dụng bột than

- Động cơ làm việc theo quá trình cấp nhiệt hỗn hợp, loại này bao gồm những động cơ có tỷ số nén cao (từ 12 đến 24), như động cơ diesel

1.2.3.6 Theo phương pháp nạp

- Động cơ không tăng áp: không khí hay hỗn hợp được hút vào xi lanh

- Động cơ tăng áp: không khí hay hỗn hợp được nén trước khi nạp vào xi lanh 1.2.3.7 Theo tỷ số S/D

- Động cơ có hành trình ngắn khi: S/D < 1

- Động cơ có hành trình dài khi: S/D > 1

(Trong đó: S là hình trình của piston; D là đường kính xi lanh động cơ)

1.2.3.8 Theo tốc độ trung bình của piston

Gọi tốc độ trung bình của piston là Cm Ta có:

[ / ] 30

n: là tốc độ vòng quay của trục khuỷu [vòng/phút]

Phân loại động cơ theo Cm như sau:

+ Khi Cm = (36) m/s được gọi là động cơ tốc độ thấp

+ Khi Cm = (69) m/s được gọi là động cơ tốc độ trung bình

+ Khi Cm = (913) m/s được gọi là động cơ tốc độ cao

+ Khi Cm > 13 m/s được gọi là động cơ siêu cao tốc

1.2.3.9 Theo dạng chuyển động của piston

- Động cơ piston tịnh tiến thường gọi ngắn gọn là động cơ piston Đa số động

cơ đốt trong là động cơ piston

- Động cơ piston quay hay động cơ rôto do Wankel phát minh năm 1954 nên còn gọi là động cơ Wankel

1.2.3.10 Theo số xi lanh (Cylinder):

- Động cơ một xi lanh (Single Cylinder Engine)

- Động cơ nhiều xi lanh (Multi Cylinder Engine): có 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, …

xi lanh

1.2.3.11 Theo cách bố trí xi lanh

Động cơ thẳng hàng I, động cơ chữ V, động cơ phẳng Flat hay Boxer, động cơ

W, động cơ Wankel,… xem hình 1.1

Hình 1.1 Phân loại động cơ theo bố trí xi lanh

a) Động cơ thẳng hàng I; b) Động cơ chữ V; c) Động cơ phẳng Flat hay Boxer; d) Động

cơ chữ W; e) Động cơ Wankel; f) Động cơ hình sao; g) Động cơ hình VR; h) Động cơ hình

chữ H; i) Động cơ hình chữ X; k) Động cơ piston đối đỉnh;

1.2.3.12 Theo môi chất làm mát

- Động cơ làm mát bằng dung dịch nước làm mát (chất lỏng)

- Động cơ làm mát bằng gió (không khí)

1.2.3.13 Theo công dụng

- Động cơ tĩnh tại như máy phát điện

- Động cơ tàu thuỷ

- Động cơ ô tô và xe máy

- Động cơ máy kéo

- Động cơ tàu hoả

- Động cơ máy bay

- …

1.3 Khái niệm về các thuật ngữ cơ bản của động cơ đốt trong

Để có cơ sở nghiên cứu và tìm hiểu nguyên lý làm việc của động cơ đốt trong

Người ta đưa ra một vài thuật ngữ cơ bản của động cơ đốt trong sau:

Quá trình công tác: là tổng hợp tất cả biến đổi của môi chất công tác xảy ra

trong xi lanh của động cơ và trong các hệ thống gắn liền với xi lanh như hệ thống nạp

- xả

Chu trình công tác: là tập hợp những biến đổi của môi chất công tác xảy ra bên

trong xi lanh của động cơ và diễn ra trong một chu kỳ

Điểm chết: là điểm mà tại đó piston đổi chiều chuyển động Có hai điểm chết

là điểm chết trên (ĐCT) và điểm chết dưới (ĐCD)

+ Điểm chết trên (ĐCT): là điểm xa nhất của piston so với đường tâm trục

cách dịch chuyển của đỉnh piston từ vị trí cao nhất (điểm chết trên ĐCT) đến vị trí thấp nhất (điểm chết dưới ĐCD) khi piston dịch chuyển S = 2.R Trong đó: R là bán kính quay của trục khuỷu

Hình 1-1 Lược đồ động cơ đốt trong

1- Trục khuỷu; 2- Thanh truyền; 3- Piston; 4- Xu páp xả; 5- Vòi phun (động cơ diesel) hay bu-gi (động cơ xăng); 6- Xu páp nạp; ĐCT- Điểm chết trên; ĐCD- Điểm chết

dưới; S- Hành trình piston; D- Đường kính xi lanh

Kỳ (thì): là một phần của chu trình công tác xảy ra khi piston dịch chuyển một

h

D

V =

Với:

D- Đường kính xi lanh

S- Hành trình piston

Hình 1.2 Lược đồ mô tả V h ,V c , V a của động cơ đốt trong.

Thể tích làm việc của động cơ (VH):

VH = Vh i Trong đó:

i - Số xi lanh của động cơ

Thể tích buồng cháy (Vc): là thể tích phần không gian giữa đỉnh piston, xi lanh

và nắp xi lanh khi piston ở ĐCT

Thể tích toàn phần (thể tích toàn bộ chứa hoà khí) (Va): là tổng thể tích công tác của xi lanh Vh và thể tích buồng cháy Vc

Va = Vh + Vc

Tỷ số nén (): là tỷ số giữa thể tích lớn nhất (thể tích toàn phần) và thể tích nhỏ nhất (thể tích buồng cháy):

max min

Tỷ số nén biểu hiện tỉ lệ hoà khí (động cơ xăng) hoặc không khí (động cơ diesel)

bị nén nhỏ đi bao nhiêu lần khi piston dịch chuyển từ ĐCD lên ĐCT Tỷ số nén có ảnh hưởng lớn đến công suất cũng như hiệu suất của động cơ

Tỷ số nén tùy thuộc vào loại động cơ và thường có trị số như sau:

Đối với động cơ xăng: ℇ = 612

Đối với động cơ Diesel: ℇ = 13  24

1.4 Nguyên lý làm việc của động cơ đốt trong piston chuyển động tịnh tiến

1.4.1 Nguyên lý làm việc của động cơ bốn kỳ

1.4.1.1 Nguyên lý làm việc của động cơ xăng một xi lanh

Hình 1.3 Lược đồ mô tả các hành trình làm việc của động cơ xăng 4 kỳ

1- Trục khuỷu; 2- Xi lanh; 3- Piston; 4- Ống nạp; 5- Bộ chế hoà khí; 6- Xupáp nạp; 7- Bu

gi; 8- Xupáp xả; 9- Ống xả; 10- Thanh truyền;

Kỳ nạp (Hành trình nạp)- xem hình 1.3.a: Pít tông từ điểm chết trên (ĐCT)

xuống điểm chết dưới (ĐCD), xu páp nạp mở, do chênh lệch áp suất, hòa khí được chuẩn

bị từ bên ngoài đi vào vào xi lanh động cơ Khi pít tông đến ĐCD xu páp nạp đóng lại Tức là kỳ nạp trục khuỷu quay được góc từ 00 đến 1800 Cuối quá trình nạp, áp suất

và nhiệt độ của hoà khí trong xi lanh là: pa = 0,8  0,9 kG/cm2, Ta = 350  4000 K

Kỳ nén (Hành trình nén) - xem hình 1.3.b: Pít tông đi từ ĐCD lên ĐCT, cả

hai xu páp nạp và xả đóng kín nên hòa khí bị nén lại Khi pít tông lên đến ĐCT thì hòa khí bị nén lại nhiều nhất, kết thúc quá trình nén Tức là kỳ nén trục khuỷu quay được góc từ 1800 đến 3600 Cuối hành trình nén, áp suất và nhiệt độ của hoà khí trong

xi lanh là: pc = 11,0  15,0 kG/cm2, Tc = 500  7000 K

Kỳ nổ (Hành trình cháy - giãn nở, sinh công) - xem hình 1.3.c: Cuối quá trình

nén, bugi bật tia lửa điện đốt cháy hỗn hợp hòa khí, hòa khí cháy, giãn nỡ đẩy pít tông

đi từ ĐCT đến ĐCD thông qua cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền làm trục khuỷu quay

và tryền công suất ra ngoài dẫn động máy công tác Khi pít tông đến ĐCD, kết thúc quá trình cháy – giãn nở, sinh công Tức là kỳ nổ trục khuỷu quay được góc từ 3600

đến 5400 Áp suất và nhiệt độ của khí cháy lớn nhất trong xi lanh là: pz = 40 70 kG/cm2, Tz = 2300  28000 K

Kỳ xả hay kỳ xả (Hành trình xả sản vật cháy) - xem hình 1.3.d: Pít tông từ

ĐCD lên ĐCT, xu páp xả mở dần, sản vật cháy bị đẩy ra ngoài nhờ áp suất khí cháy

và sức đẩy cưỡng bức của pít tông Khi pít tông đến ĐCT là kết thúc quá trình xả và hoàn thành một chu trình công tác của động cơ xăng 4 kỳ, xu páp xả đóng lại Tức là

kỳ nổ trục khuỷu quay được góc từ 5400 đến 7200 Áp suất và nhiệt độ của khí xả là:

pr = 1,0 1,20 kG/cm2, Tr = 900  12000 K

Như vậy, qua các kỳ nạp – nén – nổ - xả trục khuỷu động cơ xăng 4 kỳ một xi lanh quay được góc quay tổng cộng là 7200, tương ứng với trục khuỷu quay 2 vòng

và trục cam quay được một vòng và sinh công 1 lần. Nghĩa là, động cơ hoàn thành

một chu kỳ làm việc và sau đó chuyển sang chu trình tiếp theo

1.4.1.2 Nguyên lý làm việc của động cơ Diesel 4 kỳ, một xi lanh

Hình 1.4 Lược đồ mô tả các hành trình làm việc của động cơ diesel 4 kỳ

1- Trục khuỷu; 2- Xi lanh; 3- Piston; 4- Ống nạp; 5- Bơm cao áp; 6- Xupáp nạp; 7- Vòi

phun; 8- Xupáp xả; 9- Ống xả; 10- Thanh truyền

Quá trình làm việc của động cơ diesel bốn kỳ cũng giống như động cơ xăng 4

kỳ, nghĩa là piston cũng phải thực hiện bốn hành trình nạp, nén, nổ, xả Trong động

cơ diesel 4 kỳ quá trình nạp và nén môi chất là không khí và nhiên liệu tự cháy, do không khí nén có nhiệt độ cao

Chu kỳ làm việc của động cơ diesel 4 kỳ như sau:

Kỳ nạp (Hành trình nạp) - xem hình 1.4.a: Pít tông từ điểm chết trên (ĐCT) xuống

điểm chết dưới (ĐCD), xu páp nạp mở, do chênh lệch áp suất, không khí bên ngoài đi vào vào xi lanh, khi pít tông đến ĐCD xu páp nạp đóng lại Trục khuỷu quay được một góc từ

00 đến 1800 Cuối quá trình nạp, áp suất và nhiệt độ của hoà khí trong xi lanh là: pa = 0,8  0,9 kG/cm2, Ta = 330 3800 K

Kỳ nén (Hành trình nén) - xem hình 1.4.b: Pít tông đi từ ĐCD lên ĐCT, cả hai xu

páp nạp và xả đều đóng kín nên không khí bị nén lại Khi pít tông lên đến ĐCT thì không khí bị nén lại nhiều nhất, kết thúc quá trình nén Trục khuỷu quay được góc từ 1800 đến

3600 Cuối hành trình nén, áp suất và nhiệt độ của hỗn hợp khí và nhiên liệu trong xi lanh là: pc = 40 50 kG/cm2 ; Tc = 800 9000 K

Kỳ nổ (Hành trình cháy - giãn nở, sinh công) - xem hình 1.4.c: Cuối quá trình

nén, nhiên liệu (dầu Diesel) được vòi phun dầu cao áp phun vào buồng cháy dưới dạng hạt nhỏ li ti như sương mù Những hạt dầu nhỏ tiếp xúc với không khí nén có nhiệt độ cao và tự bốc cháy sinh ra áp lực đẩy pít tông đi từ ĐCT đến ĐCD, thông qua cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền làm trục khuỷu quay và truyền công suất động

cơ ra ngoài để dẫn động máy công tác Khi pít tông đến ĐCD, kết thúc quá trình cháy – giãn nở, sinh công Trục khuỷu đã quay được góc từ 3600 đến 5400 Áp suất và nhiệt

độ lớn nhất của khí cháy trong xi lanh là: pz = 60  80 kG/cm2, Tz = 1900  22000 K

Kỳ xả hay Kỳ xả (Hành trình xả sản vật cháy) - xem hình 1.4.d: Pít tông đi từ

ĐCD lên ĐCT, xu páp xả mở dần, sản vật cháy bị đẩy ra ngoài nhờ áp suất khí cháy

và sức đẩy cưỡng bức của pít tông, khi pít tông đến ĐCT là kết thúc quá trình xả và hoàn thành một chu trình công tác của động cơ xăng 4 kỳ, xu páp xả đóng lại Trục khuỷu quay được góc từ 5400 đến 7200 Áp suất và nhiệt độ của khí xả là: pr = (1,1

i- Số xi lanh động cơ

* Động cơ 4 kỳ, 4 xi lanh:

Ở động cơ 4 xi lanh, góc lệch công tác φ = 1800 τ/i = 1800.4/4 = 1800 Ví dụ: Thứ tự nổ của động cơ 1-3-4-2

Hình 1.5 Cơ cấu trục khuỷu động cơ 4 xi lanh thẳng hàng

Hình 1.6 Bảng Thứ tự nổ 1-3-4-2 của động cơ 4 xi lanh thẳng hàng

Hình 1.8 Bảng thứ tự nổ 1- 5 - 3 - 6 - 2- 4 của động cơ 6 xilanh thẳng hàng

Hình 1.9 Cơ cấu trục khuỷu, thanh truyền động cơ V6

Hàng bên trái : máy 1, máy 3, máy 5, Hàng bên phải: máy 2, máy 4, máy 6

Hình 1.10 Bảng thứ tự nổ 1-2-3-4-5-6 của động cơ V6

* Động cơ 4 kỳ, 8 xi lanh:

Góc lệch công tác φ = 1800.τ/i = 1800.4/8 = 900, Ví dụ: Thứ tự nổ của động cơ

1 – 3 – 4 – 2 – 5 – 7 – 8 – 6

Hình 1.11 Cơ cấu trục khuỷu, thanh truyền động cơ 8 xi lanh

Hình 1.12 Bảng thứ tự nổ 1 – 3 – 4 – 2 – 5 – 7 – 8 – 6 của động cơ 8 xi lanh

1.4.1.4 So sánh động cơ xăng 4 kỳ và động cơ diesel 4 kỳ:

Nếu hai động cơ diesel và động cơ xăng có cùng số xi lanh, cùng kích thước đường kính xi lanh, cùng một chu kỳ công tác, cùng tốc độ vòng quay trục khuỷu động

cơ diesel so với động cơ xăng sẽ có những ưu, nhược điểm sau:

* Ưu điểm:

- Hiệu suất của động cơ diesel lớn hơn động cơ xăng

- Nhiên liệu dùng trong động cơ diesel rẻ tiền hơn

- Hệ thống nhiên liệu của động cơ diesel (bơm cao áp, vòi phun) ít hư hỏng và

dễ dùng hơn hệ thống nhiên liệu động cơ xăng (bộ chế hoà khí)

- Khi làm việc, tiếng ồn của động cơ diesel lớn hơn động cơ xăng

1.4.1.5 Pha phân phối khí của động cơ 4 kỳ không tăng áp

Sau khi nghiên cứu chu trình làm việc lý thuyết của động cơ đốt trong, ta có một số nhận xét sau:

Trong bốn hành trình của piston, chỉ có một hành trình cháy giãn nở sinh công,

ba hành trình còn lại là những hành trình tiêu tốn công và được thực hiện nhờ động năng hay quán tính của các bộ phận chuyển động quay tròn (trục khuỷu, bánh đà) và một phần công sinh ra của những xi lanh khác đối với động cơ nhiều xi lanh

Thời điểm mở và đóng của các xupáp nạp và xả không trùng với thời điểm piston ở ĐCT và ĐCD được gọi là “thời điểm phối khí” Đây cũng là một đặc điểm

cơ bản để phân biệt giữa chu trình làm việc thực tế với chu trình làm việc lý thuyết Trong chu trình làm việc lý thuyết các xupáp xả không mở sớm và đóng muộn như

đã nói ở trên

Hình 1.13 Đồ thị mô tả nguyên lý làm việc của động cơ bốn kỳ không tăng áp

a- Đồ thị công; b- Đồ thị pha phân phối khí

Thời điểm phối khí cũng như các góc ứng với thời gian mở và đóng của các xupáp nạp và xả được biểu thị trên đồ thị phối khí

Các góc mở sớm và đóng muộn (góc phối khí) cũng như góc phun nhiên liệu hoặc góc đánh lửa ở cuối hành trình nén có ảnh hưởng nhiều đến công suất, hiệu suất và suất tiêu hao nhiên liệu

Động cơ bốn kỳ không tăng áp có chu trình công tác thực tế được thực hiện sau bốn hành trình của piston tương ứng hai vòng quay của trục khuỷu và một vòng quay của trục cam phối khí Sau đây sẽ khảo sát một cách khái quát diễn biến các quá trình của chu trình làm việc thực tế trong động cơ đốt trong:

- Hành trình nạp: Piston đi từ ĐCT xuống ĐCD tạo nên độ chân không trong

xi lanh Không khí (ở động cơ diesel) hay hòa khí (ở động cơ xăng, gas ) từ đường nạp gọi là khí nạp mới được hút vào xi lanh qua xu páp (valve) nạp đang mở và hoà trộn với khí sót của chu trình trước tạo thành hỗn hợp công tác hay còn gọi là môi chất nạp mới Để nạp được đầy hơn, xu páp nạp mở sớm một góc là  tại điểm d1 1

làm cho tiết diện lưu thông của xu páp khá lớn khi khí nạp mới thực sự đi vào xi lanh

- Hành trình nén: Piston đi từ ĐCD lên ĐCT Xu páp nạp đóng muộn một góc

2

 tại điểm d2 nhằm tận dụng quán tính của dòng khí để nạp thêm Hỗn hợp công tác

bị nén khi hai xu páp nạp và xả cùng đóng dẫn tới tăng áp suất và nhiệt độ trong xi lanh Tại điểm c’ gần ĐCT tương ứng với góc  , bu-gi (động cơ xăng, gas) bật tia slửa điện hay vòi phun (động cơ diesel) phun nhiên liệu vào xi lanh Góc  được gọi s

là góc đánh lửa sớm (động cơ xăng, động cơ gas) hay góc phun sớm nhiên liệu (động

cơ diesel) Sau một thời gian chuẩn bị rất ngắn (bay hơi và hòa trộn hỗn hợp), quá trình cháy thực sự diễn ra làm cho áp suất và nhiệt độ trong xi lanh tăng lên rất nhanh

- Hành trình nổ (cháy- giãn nở): Piston đi từ ĐCT xuống ĐCD Sau ĐCT, quá

trình cháy tiếp tục diễn ra nên áp suất và nhiệt độ tiếp tục tăng, sau đó giảm do thể tích xi lanh tăng nhanh Khí cháy giãn nở sinh công Gần cuối hành trình, xu páp xả

mở sớm một góc  tại điểm b’ để xả tự do một lượng đáng kể sản vật cháy ra khỏi 3

xi lanh vào đường xả

- Hành trình xả: Piston đi từ ĐCD lên ĐCT, sản vật cháy bị xả cưỡng bức do

piston đẩy ra khỏi xi lanh Để tận dụng quán tính của dòng khí nhằm xả sạch thêm,

xu páp xả đóng muộn sau ĐCT một góc  ở hành trình nạp của chu trình tiếp theo 4

Sau khi phân tích diễn biến của chu trình làm việc thực tế của động cơ đốt trong không tăng áp, ta rút ra một số nhận xét như sau:

- Trong bốn hành trình của piston chỉ có một hành trình sinh công Các hành trình còn lại đều tiêu hao công từ động năng của các chi tiết chuyển động quay như bánh đà, trục khuỷu

- Các xu páp đều có các góc mở sớm và đóng muộn nhằm xả sạch và nạp đầy Tập hợp các góc mở sớm đóng muộn của xu páp được gọi là pha phối khí, hình 1.13,

b Giá trị tối ưu của pha phối khí cùng các góc phun sớm và đánh lửa sớm  rất khó sxác định bằng tính toán nên thường được lựa chọn bằng thực nghiệm (bảng 1.1)

- Trong khoảng góc  + 1  (cuối quá trình xả, đầu quá trình nạp), hình 1.13, 4

b, hai xu páp đều mở Do đó  + 1  được gọi là góc trùng điệp của xu páp 4

Bảng 1.1 Góc phối khí, góc phun nhiên liệu/góc đánh lửa

Loại

động cơ

nhiên liệu (góc đánh lửa sớm)

Mở sớm

trước ĐCT

Đóng muộn sau ĐCD

Mở sớm trước ĐCD

Mở sớm trước ĐCT

1.4.2 Nguyên lý làm việc của động cơ hai kỳ

Chu trình làm việc của động cơ hai kỳ cũng bao gồm bốn quá trình: nạp, nén, cháy giãn nở và xả, nhưng khác với động cơ bốn kỳ là để hoàn thành một chu trình làm việc, trục khuỷu của động cơ hai kỳ chỉ quay một vòng (3600) tương ứng với piston dịch chuyển hai hành trình Do đó, trong mỗi hành trình của piston sẽ có nhiều quá trình cùng xảy ra

Động cơ hai kỳ thường dùng hai kiểu phân phối khí: loại có cửa nạp, cửa quét, không có xupáp và loại có cửa quét và xupáp xả

1.4.2.1 Động cơ xăng 2 kỳ

* Cấu tạo:

Hình 1.14 Cấu tạo động cơ 2 kỳ

Động cơ xăng hai kỳ về mặt cấu tạo tương tự như động cơ xăng bốn kỳ, nhưng không dùng cơ cấu xu páp để thực hiện quá trình trao đổi hòa khí Trên xi lanh có gia công các cửa nạp, cửa xả và cửa quét

Cửa xả bố trí gần điểm chết trên, cửa quét thấp hơn cửa xả và đối diện với cửa

xả Dưới cửa xả là cửa nạp được liên hệ với bộ chế hoà khí và thông với các te Các

te động cơ hoàn toàn kín và đóng vai trò như một buồng nén phụ

* Nguyên lý làm việc:

Mỗi chu trình làm việc của động cơ xăng hai kỳ (bao gồm quá trình nạp, nén,

nổ và xả) có một lần sinh công (nổ), pít tông dịch chuyển lên xuống hai lần và trục khuỷu quay một vòng (từ 00 đến 3600) Mỗi lần pít tông lên hoặc xuống gọi là một hành trình hay một kỳ

Hình 1.15 Nguyên lý làm việc của động cơ xăng 2 kỳ

Hành trình thứ nhất: Trong hành trình này, khi trục khuỷu quay, pít tông sẽ

dịch chuyển từ điểm chết dưới (ĐCD) lên điểm chết trên (ĐCT) Khi pít tông ở ĐCD, cửa quét và cửa xả đều được mở ra (mở hoàn toàn) Do đó, hoà khí gồm xăng và không khí có sẵn trong các te bị nén, qua cửa quét vào xi lanh và quét khí xả qua cửa

xả ra ngoài Pít tông đi lên dần dần, đầu trên pít tông che kín cửa quét (kết thúc nạp hoà khí mới vào xi lanh), sau đó che kín cửa xả (kết thúc quá trình xả khí cháy) và bắt đầu quá trình nén Hoà khí trong xi lanh bị nén làm cho áp suất và nhiệt độ của

nó tăng lên, khi pít tông gần đến ĐCT thì bu gi phóng tia lửa điện đốt cháy hỗn hợp hòa khí Đồng thời, khi pít tông đi lên để nén hoà khí, dưới pít tông cửa nạp mở, trong các te áp suất giảm, do đó hoà khí từ bộ chế hoà khí qua ống nạp và cửa nạp được hút vào các te để chuẩn bị cho việc nạp hòa khí vào xi lanh ở hành trình sau Ở cuối hành trình nén, áp suất và nhiệt độ của hoà khí trong xi lanh là: p = (6 10) kG/cm2, T= (400  600)0K

Hành trình thứ hai: Trong kỳ này do hoà khí đã được đốt cháy ở cuối kỳ nén

nên khi pít tông đến ĐCT thì hoà khí càng cháy nhanh hơn, làm cho áp suất khí cháy tăng lên tác dụng lên đỉnh pít tông và đẩy pít tông từ ĐCT xuống ĐCD thông qua thanh truyền làm quay trục khuỷu và truyền công suất ra ngoài để dẫn động máy công tác Khi pít tông dịch chuyển gần tới ĐCD cửa xả mở (bắt đầu quá trình xả khí cháy), sau đó cửa quét cũng được mở (bắt đầu quá trình nạp hòa khí mới vào xi lanh) và cửa nạp dần dần được đóng lại Do đó, khí cháy được xả ra ngoài, đồng thời hoà khí dưới các te bị nén có áp suất lớn hơn áp suất khí cháy còn lại trong xi lanh sẽ theo cửa quét vào xi lanh phía trên đỉnh pít tông góp phần làm sạch khí cháy trong xi lanh và tạo điều kiện cho chu trình làm việc sau Khi pít tông tới ĐCD thì cửa xả và cửa quét mở hoàn toàn Áp suất và nhiệt độ của khí cháy trong xi lanh là: p = (40 70) kG/cm2, T

= (2000  2300)0 K

Sau đó, nhờ mô men quán tính của bánh đà làm cho trục khuỷu tiếp tục quay để

thực hiện chu trình làm việc tiếp theo

Hình 1.16 Nguyên lí làm việc động cơ xăng hai kì

1- Các te; 2- Trục khuỷu; 3- Thanh truyền; 4- Cửa xả; 5- Piston; 6- Nắp xi lanh; 7- Xi lanh;

8- Cửa thổi; 9- Đường thông;

Hình 1.17 Đồ thị công và đồ thị phối khí của động cơ xăng 2 kỳ loại không có xupáp

1.4.2.2 Động cơ Diesel 2 kỳ

Động cơ diesel hai kỳ có đặc điểm là không dùng cácte để chứa và thổi khí mà dùng máy nén khí riêng để thổi khí trực tiếp vào trong xi lanh

Chu trình làm việc của động cơ này như sau:

Hình 1.18 Các hành trình làm việc của động cơ diesel hai kỳ có xupáp xả

1- Trục khuỷu; 2- Thanh truyền; 3- Máy nén khí; 4- Xi lanh; 5- Vòi phun; 6- Xupáp xả; 7-

Piston; 8- Buồng khí; 9- Cửa thổi;

Hành trình nén: Trong hành trình này (hình 1.18.a), khi trục khuỷu 1 quay,

piston 7 dịch chuyển từ ĐCD lên ĐCT Cửa thổi 9 được piston đậy kín và sau đó xupáp xả 6 cũng được đóng lại, không khí có sẵn trong xi lanh 4 bị nén, áp suất và nhiệt độ của nó tăng lên cho đến khi piston gần đến ĐCT, vòi phun 5 của hệ thống

nhiên liệu sẽ phun nhiên liệu với áp suất cao (100 140 kG/cm2) hình thành hỗn hợp với không khí nén có nhiệt độ cao làm cho nhiên liệu này tự cháy được

Hình 1.19 Đồ thị công và đồ thị phối khí của động cơ diesel 2 kỳ, loại có xupáp xả

Áp suất và nhiệt độ cuối hành trình nén của không khí nén trong xi lanh là: p = (40  50) kG/cm2, T = (800  900)0K

Hành trình sinh công và thay khí: trong hành trình này, do nhiên liệu đã được

đốt cháy, nhờ không khí nén có nhiệt độ cao ở cuối hành trình nén, nên khi piston đến ĐCT, thì nhiên liệu này càng cháy nhanh hơn, làm cho áp suất tăng lên và đẩy piston từ ĐCT xuống ĐCD, qua thanh truyền 2, làm quay trục khuỷu 1 và truyền công suất động cơ ra ngoài

Khi piston dịch chuyển gần tới ĐCD, xupáp 6 mở, đồng thời sau đó cửa thổi 9 cũng được piston mở ra Do đó khí cháy sau khi đã làm việc, có áp suất (4-5 kG/cm2) lớn hơn áp suất khí trời, được xả ra ngoài và không khí mới ở bên ngoài, qua bình lọc, nhờ máy nén khí 3, buồng khí 8 và cửa thổi 9 được cung cấp vào xi lanh với áp suất khoảng (1,4,5) kG/cm2 lớn hơn áp suất khí xả còn lại trong xi lanh (1,11,2 kG/cm2) góp phần làm sạch khí cháy trong đó và tạo điều kiện cho hành trình sau

Áp suất và nhiệt độ của khí cháy trong xi lanh là: p = (80  100) kG/cm2, T= (1900

của các bộ phận chuyển động quay tròn (trục khuỷu, bánh đà) và một phần công sinh

ra từ những xi lanh khác đối với động cơ nhiều xi lanh

Áp suất của hoà khí hoặc không khí thổi vào xi lanh lớn hơn áp suất khí trời Do

đó, phải dùng bơm thổi khí hay máy nén khí do trục khuỷu dẫn động nên công suất động cơ cũng phải giảm đi

Trong quá trình làm việc có một phần hành trình của piston dùng để thổi và xả khí Khi thổi khí có một phần nhiên liệu và không khí mới theo khí xả ra ngoài

Áp suất và nhiệt độ của hoà khí hoặc không khí ở cuối quá trình nén cũng như quá trình cháy và giãn nở phụ thuộc nhiều vào vị trí của cửa thổi, cửa xả và tỷ số nén của động cơ

Tỷ số nén của động cơ hai kỳ được tính như sau:

'

c

V V

Trong đó:

V’h: Thể tích làm việc thực tế của xi lanh, được tính từ lúc piston bắt đầu đậy kín cửa xả hoặc xupáp xả đóng, khi piston dịch chuyển từ ĐCD lên ĐCT cho đến lúc piston ở ĐCT

VC: Thể tích buồng cháy

Trong động cơ hai kỳ, quá trình thổi (nạp), nén, cháy giãn nở và xả không được thể hiện rõ ràng ở mỗi hành trình như động cơ 4 kỳ Do đó, động cơ hai kỳ, hành trình thứ nhất cũng có thể là hành trình thổi, xả và nén, còn hành trình thứ hai là hành trình sinh công, xả và thổi, v.v…

1.4.2.3 Pha phân phối khí của động cơ 2 kỳ

Động cơ hai kỳ có chu trình công tác thực hiện sau hai hành trình của piston hay một vòng quay của trục khuỷu Sau đây, ta xét một dạng động cơ hai kỳ đơn giản nhất, hình 2-22, qua đó khảo sát nguyên lý làm việc của động cơ hai kỳ

Hình 1.20 Nguyên lý làm việc của động cơ hai kỳ

a- Đồ thị công; b- Đồ thị pha;

Hành trình thứ nhất: Piston đi chuyển từ ĐCT đến ĐCD, khí đã cháy và đang

cháy trong xi lanh giãn nở sinh công Khi piston mở cửa xả A, khí cháy có áp suất cao được xả tự do ra đường xả Từ khi piston mở cửa quét B cho đến khi đến điểm chết dưới, khí nạp mới có áp suất cao nạp vào xi lanh đồng thời quét khí đã cháy ra cửa A Như vậy trong hành trình thứ nhất gồm các quá trình: cháy giãn nở, xả tự do, quét khí và nạp khí mới

Hành trình thứ hai: Piston di chuyển từ ĐCD đến ĐCT, quá trình quét nạp vẫn

tiếp tục cho đến khi piston đóng cửa quét B Từ đó cho đến khi piston đóng của xả A, môi chất trong xi lanh bị đẩy qua cửa xả ra ngoài, vì vậy giai đoạn này gọi là giai đoạn lọt khí Tiếp theo là quá trình nén bắt đầu từ khi piston đóng cửa xả A cho tới khi nhiên liệu phun vào xi lanh (động cơ diesel) hoặc bu gi (động cơ xăng) bật tia lửa điện Sau một thời gian cháy trễ rất ngắn quá trình cháy sẽ xảy ra Như vậy trong hành trình thứ hai gồm có các quá trình: quét và nạp khí, lọt khí, nén và cháy

Đặc điểm của động cơ hai kỳ là khí nạp mới phải có áp suất pk đủ lớn để quét khí đã cháy ra đường xả có áp suất pth Thông thường người ta thiết kế máy nén khí riêng lắp trên động cơ hoặc tận dụng không gian bên dưới piston - hộp trục khuỷu để nén khí nạp như ở một vài động cơ xăng cỡ nhỏ, hình 1.21.

Hình 1.21 Nén khí quét bằng hộp các te – trục khuỷu

1.4.3 So sánh động cơ hai kỳ và động cơ bốn kỳ

1.4.3.1 Ưu điểm:

- Nếu so sánh hai động cơ có cùng D, S, n thì về mặt lý thuyết công suất động

cơ hai kỳ gấp đôi công suất động cơ bốn kỳ Nhưng do có tổn thất dẫn động bơm quét khí nên thực tế chỉ lớn hơn 1,6 ÷ 1,8 lần

- Động cơ hai kỳ chạy đều hơn động cơ bốn kỳ, vì mỗi vòng quay của trục khuỷu

có một hành trình sinh công Do đó, với các điều kiện như nhau (hành trình pít tông, đường kính xi lanh, số xi lanh và tốc độ quay) thì ở động cơ hai kỳ có thể dùng bánh

đà lắp ở trục khuỷu có kích thước và trọng lượng nhỏ hơn so với động cơ bốn kỳ

- Động cơ 2 kỳ có xu páp cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng hơn động cơ bốn kỳ hoặc

Căn cứ vào những ưu nhược điểm trên, động cơ xăng hai kỳ thường được dùng

ở động cơ có công suất nhỏ như động cơ phụ để khởi động động cơ diesel có công suất lớn, động cơ môtô, xe máy, v.v… Còn động cơ diesel hai kỳ lại được dùng nhiều ở động cơ có công suất trung bình và công suất lớn như động cơ tàu thuỷ…

1.4.4 So sánh động cơ xăng và động cơ diesel

Điểm khác nhau giữa động cơ Diesel và động cơ xăng:

Động cơ Diesel sử dụng nhiên liệu là dầu Diesel, không có bugi đánh lửa, động

cơ sinh công nhờ quá trình nén hỗn hợp nhiên liệu và không khí trong xi lanh và sau

đó hỗn hộp này tự cháy nhờ nhiệt độ cao gần cuối quá trình nén

Động cơ xăng sử dụng nhiên liệu là xăng, sinh công bằng quá trình đốt cháy cưỡng bức hỗn hợp nhiên liệu và không khí (hòa khí) trong xi lanh nhờ tia lửa điện ở bugi

So sánh nguyên lý hoạt động của động cơ Diesel và động cơ xăng:

Hút Hút không khí vào xi lanh Hút hòa khí ( xăng + không khí)

Cuối quá trình nén, bugi phát tia lửa điện đốt cháy hòa khí

Sinh

Công

Nhiên liệu phun vào buồng đốt hòa trộn

với không khí được nén ở áp suất và

nhiệt độ cao tự bốc cháy Hỗn hợp cháy

giãn nở sinh công cho động cơ

Bugi phát tia lửa điện đốt cháy hòa khí trong xi lanh hòa khí cháy giãn nở sinh công cho động cơ.

Xả Khí xả được xả ra ngoài qua supap xả Khí xả được xả ra ngoài qua supap

xả

Ưu nhược điểm của động cơ Diesel so với động cơ xăng:

* Ưu điểm:

- Hiệu suất động cơ Diesel cao hơn so với động cơ xăng (1,5 lần)

- Dầu Diesel rẻ tiền hơn xăng

- Mức tiêu hao nhiên liệu riêng của động cơ Diesel thấp hơn động cơ xăng

- Dầu Diesel không bốc cháy ở nhiệt độ thường nên ít gây nguy hiểm

- Do không có bộ chế hòa khí và bộ phận đánh lửa nên động cơ Diesel ít hư hỏng vặt

- Động cơ Diesel chịu quá tải tốt hơn động cơ xăng

* Nhược điểm:

- Cùng một công suất thì động cơ Diesel có khối lượng nặng hơn động cơ xăng

- Tỉ số nén động cơ Diesel cao hơn nên đòi hỏi các chi tiết máy của động cơ phải tốt dẫn đến giá thành chế tạo mắc hơn

- Các chi tiết của hệ thống nhiên liệu ở động cơ Diesel có độ chính xác rất cao (sai số 1/100mm) như bơm cao áp, kim phun nên giá thành chế tạo và sửa chữa cao hơn

- Sửa chữa các bộ phận của hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel phải có máy chuyên dùng, dụng cụ đắt tiền và thợ có chuyên môn cao

- Tốc độ động cơ Diesel thấp hơn tốc độ động cơ xăng

- Động cơ Diesel gây ồn và "hôi" hơn động cơ xăng (Điều này đã được khắc phục nhiều bằng các công nghệ tiên tiến)

Động cơ Diesel và động cơ xăng đều có ưu nhược điểm riêng Tuy nhiên nhà sản xuất đã áp dụng hai loại động cơ này trên xe để phù hợp với mục đích sử dụng của mỗi dòng xe riêng biệt

1.5 Nguyên lý làm việc của động cơ đốt trong piston chuyển động quay (Wankel)

Hình 1.22 Động cơ piston quay (Wankel)

Động cơ Wankel có piston hình tam giác chuyển động hành tinh chạy quanh bánh răng trung tâm Mỗi mặt cạnh của rôto tương ứng với một piston của động cơ

xi lanh

Hình 1.23 Nguyên lý làm việc động cơ piston quay (Wankel)

Trên đỉnh rôto luôn tiếp xúc với thành xi lanh có dạng đường cong Động cơ Wankel truyền công suất ra ngoài bàng một trục có bánh lệch tâm lắp trong lòng rôto tam giác

1.6 Xu hướng phát triển động cơ đốt trong và ô tô

Ngày nay, trên thế giới đã và đang nghiên cứu để tìm ra các dạng năng lượng khác để thay thế cho các loại nhiên liệu hoá thạch

Việc nghiên cứu đã đạt được những thành công nhất định, đó là chế tạo được các loại động cơ không sử dụng nhiên liệu hoá thạch như: động cơ điện, động cơ tuabin, động cơ chạy bằng năng lượng mặt trời, động cơ chạy bằng nhiên liệu khí hydrô…

Hiện nay, các loại động cơ này chưa được ứng dụng rộng rãi vì vẫn còn tồn tại một số nhược điểm (như về giá thành, đặc điểm tiện dụng, …)

Sự phát triển các phương tiện giao thông ở các khu vực trên thế giới nói chung không giống nhau nhưng đều có xu thế chung là từng bước ô tô hóa dần các quãng đường dịch chuyển Tốc độ gia tăng số lượng ô tô trên thế giới rất lớn, đặc biệt là khu vực Đông Nam á, chẳng hạn Hàn Quốc tốc độ tăng hằng năm là 20%,

Malaysia tốc độ này có thể đạt 70% Cùng với việc gia tăng số lượng ô tô thì số lượng xe gắn máy hai bánh giảm dần Các chuyên gia kinh tế cho rằng thị trường ô

tô tiềm năng trong thế kỷ 21 sẽ dịch chuyển từ các nước Đông âu và Châu Mỹ La Tinh sang các nước Đông Nam á, Trung á và cuối cùng là Châu Phi Theo dự báo, số lượng ô tô ở Châu á Thái Bình Dương sẽ tăng từ 0,7 chiếc/1000 người dân năm 1985 đến 10 chiếc/1000 người dân năm 2020 và 20 chiếc/1000 người dân vào năm 2060

Sự gia tăng mật độ ô tô dẫn đến hai vấn đề lớn cần giải quyết đó là sự quá tải của cơ sở hạ tầng và ô nhiễm môi trường Sự phát triển ngành giao thông vận tải và công nghiệp chế tạo ô tô của hầu hết các nước đều được thực hiện theo định hướng làm giảm nhẹ sự tác động của hai vấn đề này đến kinh tế-xã hội

- Giảm tải cho cơ sở hạ tầng:

Giải quyết vấn đề này một mặt liên quan đến công tác qui hoạch đô thị, nâng cấp hệ thống giao thông, mở rộng đường, thiết kế tốt các nút giao thông, xây dựng các bãi đậu xe và mặt khác, cần phải lựa chọn kích cỡ ô tô phù hợp Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài này, chúng tôi chỉ xem xét đến mặt thứ hai của vấn

đề

Kích cỡ và kiểu dáng ô tô đã có sự thay đổi rất đáng kể trong thế kỷ qua và dường như theo qui luật "đường xoắn trôn ốc" Thật vậy ngày nay người ta lại tìm thấy những ô tô mới nhất có kiểu dáng như ô tô "2 chevaux" (thường gọi là xe con cóc) kích thước nhỏ gọn của các hãng ô tô nổi tiếng trên thế giới sản xuất Người ta

ưu tiên chọn ô tô nhỏ bởi lẽ chúng gọn nhẹ, chiếm ít không gian trong garage và thuế lưu hành thấp Chính vì vậy, những chủng loại xe như Peugeot 205, Renault Twingo, Ford KA, BMW "2 chevaux" thuộc loại ô tô bán chạy nhất ở Châu Âu Mới đây trên thị trường ô tô thế giới xuất hiện những chủng loại ô tô có kích thước rút gọn hai chỗ ngồi SMART Trên thị trường Châu á, các nhà chế tạo ô tô cũng rất quan tâm đến việc sản xuất các loại ô tô cỡ nhỏ Ô tô Matiz của Daewoo là một ví dụ điển hình Trong điều kiện cơ sở hạ tầng phục vụ cho giao thông ở nước ta chưa được phát triển, nhà ở thành phố chật hẹp, chỗ đậu xe chưa được xây dựng, việc sử dụng các loại ô tô cá nhân cỡ lớn sẽ gây nhiều phiền hà cho công tác tổ chức giao thông cũng như cho người sử dụng Vì vậy nhiệm vụ đặt ra cho các nhà khoa học và các cơ quan quản lý giao thông là xác định kiểu loại ô tô phù hợp với nước ta để khuyến khích người dân sử dụng Ô tô cá nhân ở nước ta trước hết phải là phương tiện đi lại thông dụng thay thế xe gắn máy Vì vậy ô tô phải gọn nhẹ, tốc độ và quãng đường hoạt động tương thích với xe gắn máy nhưng an toàn và tiện nghi hơn, đặc biệt là tránh mưa nắng và bụi trên đường Giá thành của xe phải thấp để đại bộ phận người dân

có nhu cầu có thể mua sắm Trong bối cảnh đó thì ô tô cỡ nhỏ hai chỗ ngồi là phù hợp với nước ta nhất

- Xu hướng phát triển ô tô sạch:

Ô tô sạch không gây ô nhiễm (Zero emission) là mục tiêu hướng tới của các nhà nghiên cứu và chế tạo ô tô ngày nay Có nhiều giải pháp đã được công bố trong những năm gần đây, tập trung là hoàn thiện quá trình cháy động cơ Diesel, sử dụng các loại nhiên liệu không truyền thống cho ô tô nhưLPG, khí thiên nhiên, methanol, ethanol, biodiesel, điện, pin nhiên liệu, năng lượng mặt trời, ô tô lai (hybrid)

Xu hướng phát triển ô tô sạch có thể tổng hợp như sau:

- Hoàn thiện động cơ diesel: Các kỹ thuật mới để hoàn thiện động cơ diesel đã cho phép nâng cao rõ rệt tính năng của nó bao gồm áp dụng hệ thống phun ray chung (common rail) điều khiển điện tử, lọc bồ hóng và xử lý khí trên đường xả bằng bộ xúc tác ba chức năng, hoặc nâng cao chất lượng nhiên liệu, sử dụng nhiên liệu diesel có hàm lượng lưu huỳnh cực thấp Việc dùng động cơ diesel sử dụng đồng thời nhiên liệu khí và nhiên liệu lỏng (dual fuel) cũng là một giải pháp nâng cao tính năng của động cơ diesel

- Ô tô chạy bằng các loại nhiên liệu lỏng thay thế: Các loại nhiên liệu lỏng thay thế quan tâm hiện nay là cồn, colza, có nguồn từ thực vật Do thành phần C trong nhiên liệu thấp nên quá trình cháy sinh ra ít chất ô nhiễm có gốc carbon, đặc biệt là giảm CO2, chất khí gây hiệu ứng nhà kính Ngày nay việc ứng dụng các loại nhiên liệu lỏng thay thế trên phương tiện vận tải nói chung và trên xe buýt nói riêng vẫn còn rất hạn chế do giá thành của nhiên liệu còn cao Tuy nhiên giải pháp này có lợi

ở những nơi mà nguồn nhiên liệu này dồi dào hoặc các loại nhiên liệu trên được chiết xuất từ các chất xả của quá trình sản xuất công nghiệp

Một loại nhiên liệu lỏng thay thế khác mới đây được công bố là Dimethyl ether (DME) được chế tạo từ khí thiên nhiên Đây là loại nhiên liệu thay thế cực sạch có thể dùng cho động cơ diesel giống như LPG Thử nghiệm trên ô tô cho thấy, ô tô dùng DME có mức độ phát ô nhiễm thấp hơn nhiều so với tiêu chuẩn ô tô phát ô nhiễm cực thấp California ULEV Nếu việc sản xuất DME trên qui mô công nghiệp thành hiện thực thì trong tương lai nó sẽ là nhiên liệu lỏng lý tưởng nhất vì khí thiên nhiên phân bố đều khắp trên trái đất và có trữ lượng tương đương dầu mỏ

- Ô tô chạy bằng khí thiên nhiên: Sử dụng ô tô chạy bằng khí thiên nhiên là một chính sách rất hữu ích về năng lượng thay thế trong tương lai, đặc biệt về phương diện giảm ô nhiễm môi trường trong thành phố Cho tới nay có hai giải pháp sử dụng khí thiên nhiên trên xe buýt, đó là khí thiên nhiên dưới dạng khí và khí thiên nhiên dưới dạng lỏng Một trong những khó khăn khiến cho nguồn năng lượng này chưa được áp dụng rộng rãi trên phương tiện vận tải là vấn đề lưu trữ khí thiên nhiên (dạng khí hay dạng lỏng) trên ô tô Ngày nay việc chế tạo bình chứa khí thiên nhiên đã được cải thiện nhiều cả về công nghệ lẫn vật liệu, chẳng hạn sử dụng bình chứa composite gia cố bằng sợi carbon

- Ô tô chạy bằng khí dầu mỏ hóa lỏng LPG: Hiện nay nhiều nước, nhiều khu

vực trên thế giới xem việc sử dụng LPG trên ô tô chạy trong thành phố là giải pháp

bảo vệ môi trường không khí hữu hiệu Trong cộng đồng Châu Âu thì áo là nước sử

dụng xe buýt LPG sớm nhất Thành phố Vienne đã sử dụng xe buýt chạy bằng LPG

từ năm 1963 và cho đến nay, thành phố có 500 xe buýt chạy bằng nhiên liệu này

Đan Mạch có 180, Hà Lan có 150, Tây Ban Nha có 60 xe buýt chạy bằng LPG ở

ý hiện có hơn 860000 ô tô chạy bằng LPG Tỉ lệ xe buýt chạy bằng LPG cao hơn xe

buýt chạy bằng khí thiên nhiên ở Châu Âu (tỉ lệ hiện nay là 1.100/700) Người ta dự

báo lượng LPG tiêu thụ cho giao thông vận tải sẽ gia tăng trong những năm tới do số

lượng ô tô sử dụng nguồn năng lượng này gia tăng

Khí dầu mỏ hóa lỏng LPG ngày càng trở nên là loại nhiên liệu ưa chuộng để

chạy ô tô ngoài những đặc điểm nổi bật về giảm ô nhiễm môi trường nó còn có lợi

thế về sự thuận tiện trong chuyển đổi hệ thống nhiên liệu Việc chuyển đổi ô tô chạy

bằng nhiên liệu lỏng sang dùng LPG có thể được thực hiện theo ba hướng: sử dụng

duy nhất nhiên liệu LPG, sử dụng hoặc xăng hoặc LPG, sử dụng đồng thời diesel và

LPG (dual fuel) Việc tạo hỗn hợp LPG không khí có thể thực hiện bằng bộ chế hoà

khí kiểu Venturie thông thường hay phun LPG trên đường nạp Những hệ thống phun

mới đang được nghiên cứu phát triển là phun LPG dạng lỏng trong buồng cháy để

tăng tính năng công tác của loại động cơ này Cũng như các loại nhiên liệu khí khác,

việc lưu trữ LPG trên ô tô là vấn đề gây nhiều khó khăn nhất mặc dù áp suất hóa lỏng

của LPG thấp hơn rất nhiều so với khí thiên nhiên hay các loại khí khác Các loại

bình chứa nhiên liệu LPG cũng được cải tiến nhiều nhờ vật liệu và công nghệ mới

- Ô tô chạy bằng điện: Ô tô chạy điện về nguyên tắc là ô tô sạch tuyệt đối (zero

emission) đối với môi trường không khí trong thành phố Nguồn điện dùng để chạy

ô tô được nạp vào accu do đó quãng đường hoạt động độc lập của ô tô phụ thuộc vào

khả năng tích điện của accu Nếu nguồn điện được sản xuất từ các nguồn năng lượng

tái sinh (thủy điện, pin mặt trời ) thì ô tô dùng điện là loại phương tiện lý tưởng nhất

về mặt ô nhiễm môi trường Tuy nhiên nếu nguồn điện được sản xuất từ nhiên liệu

hóa thạch thì ưu điểm này bị hạn chế nếu xét về mức độ phát ô nhiễm tổng thể Ngày

nay ô tô chạy bằng accu đã đạt được những tính năng vận hành cần thiết giống như

ô tô sử dụng nhiên liệu lỏng truyền thống

- Ô tô chạy bằng pin nhiên liệu: Một trong những giải pháp của nguồn năng

lượng sạch cung cấp cho ô tô trong tương lai là pin nhiên liệu Pin nhiên liệu là hệ

thống điện hóa biến đổi trực tiếp hóa năng trong nhiên liệu thành điện năng Pin nhiên

liệu trước đây chỉ được nghiên cứu để cung cấp điện cho các con tàu không gian

nhưng ngày nay pin nhiên liệu đã bước vào giai đoạn thương mại hóa để cung cấp

năng lượng cho ô tô Do không có quá trình cháy xảy ra nên sản phẩm hoạt động của

pin nhiên liệu là điện, nhiệt và hơi nước Vì vậy có thể nói ô tô hoạt động bằng pin

nhiên liệu là ô tô sạch tuyệt đối theo nghĩa phát xả chất ô nhiễm trong khí xả Ô tô

chạy bằng pin nhiên liệu không nạp điện mà chỉ nạp nhiên liệu hydrogen Khó khăn

vì vậy liên quan đến lưu trữ hydro dưới áp suất cao hoặc trong vật liệu hấp thụ trên phương tiện vận tải Nhiều nghiên cứu đề nghị điều chế hydro ngay trên xe để sử dụng cho pin nhiên liệu nhưng hệ thống như vậy rất cồng kềnh và phức tạp Các công

ty chế tạo ô tô ở Đức (Daimler Benz), ở Nhật (Toyota), ở Mỹ (General Motors) đang có kế hoạch sản xuất ô tô sử dụng pin nhiên liệu và dự kiến sẽ thương mại hóa

ô tô này vào năm 2010

Tuy ngày nay người ta đã thành công trong chế tạo các loại pin nhiên liệu có hiệu suất cao và giá thành phù hợp nhưng việc áp dụng phương án này trên xe buýt vẫn còn xa so với hiện thực vì so với các phương án làm giảm ô nhiễm khác, pin nhiên liệu chạy ô tô vẫn còn là loại nhiên liệu “xa xỉ” và “cao cấp” Người ta thấy rằng nếu sử dụng pin nhiên liệu để chạy ô tô thì giá thành đắt hơn chạy bằng diesel khoảng 30%

- Ô tô lai (hybrid): Ô tô lai là loại ô tô sử dụng ít nhất hai nguồn sức kéo bổ sung cho nhau Trong khi các giải pháp sử dụng ô tô chạy hoàn toàn bằng điện còn nhiều bất cập thì ô tô lai sử dụng động cơ điện và động cơ nhiệt tỏ ra có nhiều ưu thế nhất Ô tô lai dạng này sử dụng động cơ điện một chiều chạy bằng accu được nạp điện bằng điện lưới khi ô tô dừng và nạp điện bổ sung từ cụm động cơ nhiệt-mát phát điện một chiều bố trí trên xe Ô tô lai được nghiên cứu từ những năm 1990 Đến năm

1997, chiếc ô tô lai đầu tiên Toyota Prius ra đời tại Nhật Bản Hiện nay trên thị trường thế giới đã xuất hiện ô tô lai với các nhãn hiệu khác nhau: Honda Insight, Honda Civic, Toyota Prius với giá cả cạnh tranh với ô tô truyền thống

Động cơ nhiệt sử dụng trên ô tô lai do chỉ nạp điện bổ sung vào accu nên có công suất bé, và điều quan trọng là do nó chỉ làm việc ở một chế độ duy nhất ổn định nên người ta có thể điều chỉnh, thiết kế để ở chế độ này động cơ phát ô nhiễm thấp nhất Động cơ nhiệt ở đây có thể là động cơ Diesel hiện đại với hệ thống lọc bồ hóng

và xử lý khí xả hay động cơ sử dụng nhiên liệu khí (khí thiên nhiên, khí dầu mỏ hoá lỏng LPG) Lý tưởng nhất là ô tô lai sử dụng động cơ điện một chiều và động cơ nhiệt nạp điện bổ sung chạy bằng nhiên liệu khí (khí thiên nhiên hay khí dầu mỏ hóa lỏng) với bộ xúc tác ba chức năng lắp trên đường xả

Ngoài những đặc điểm nêu trên, tùy thuộc vào cách bố trí tổ hợp giữa động cơ điện và động cơ nhiệt, ô tô lai điện-nhiệt còn có các ưu điểm như sau:

- Có thể phối hợp công suất giữa động cơ điện và động cơ nhiệt một cách tối

ưu để đảm bảo hiệu suất sử dụng năng lượng cao nhất

- Có thể tận dụng giai đoạn phanh hay xuống dốc của ô tô để nạp điện vào ắc quy

Chính vì vậy ô tô lai điện-nhiệt ngoài ưu điểm có mức độ phát ô nhiễm thấp còn có hiệu suất sử dụng năng lượng rất cao

Kết luận chương 1

Chương 1 tập trung giới thiệu về lịch sử phát triển, các khái niệm, phân loại và những thuật ngữ cơ bản của động cơ đốt trong Trên cơ sở nghiên cứu tìm hiểu nguyên lý làm việc, phân phân phối khí của động cơ đốt trong piston chuyển động tịnh tiến của động cơ bốn kỳ và của động cơ hai kỳ ta có thể rút

ra những so sánh giống và khác nhau về nguyên lý làm việc giữa động cơ hai

kỳ và động cơ bốn kỳ và giữa động cơ xăng và động cơ diesel Bên cạnh đó, chương 1 còn giới thiệu thêm về nguyên lý làm việc của động cơ đốt trong piston chuyển động quay (Wankel) Cuối cùng, nêu lên những xu hướng phát triển động cơ đốt trong và ô tô trong tương lai

Câu hỏi hướng dẫn ôn tập

Câu 1 Phân loại và định nghĩa các loại động cơ đốt trong kiểu piston chuyển động tịnh tiến? Nêu những ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng của từng loại? Câu 2 Vẽ sơ đồ cấu tạo và mô tả nguyên lý hoạt động của động cơ xăng 4 kỳ? Câu 3 Vẽ sơ đồ cấu tạo và mô tả nguyên lý hoạt động của động cơ Diesel 4 kỳ? Câu 4 Vẽ sơ đồ cấu tạo và mô tả nguyên lý hoạt động của động cơ xăng 2 kỳ? Câu 5 Vẽ sơ đồ cấu tạo và mô tả nguyên lý hoạt động của động cơ Diesel 2 kỳ? Câu 6 So sánh sự giống và khác nhau về nguyên lý làm việc giữa động cơ hai kỳ và động cơ bốn kỳ?

Câu 7 So sánh sự giống và khác nhau về nguyên lý làm việc giữa động

cơ xăng và động cơ diesel?

Câu 8 Vẽ sơ đồ cấu tạo và mô tả nguyên lý làm việc của động cơ đốt trong piston chuyển động quay (Wankel)?

Câu 9 Trình bày xu hướng phát triển động cơ đốt trong và ô tô trong tương lai?

Tài liệu tham khảo

Tiếng Việt

[1] Hồ Tuấn Chuẩn, Kết cấu tính toán động cơ đốt trong, 1996

[2] PGS.TS Đỗ Văn Dũng, Hệ thống điện và điện tử trên ôtô hiện đại - Hệ thống điện động cơ, 2006

[3] Động cơ ôtô, Donald L.Anglin William H.Crouse, Dịch giả: Nguyễn Ngọc Điệp

- Phạm Thanh Đường, NXB Thành phố Hồ Chí Minh, 2005

[4] Hồ Xuân Năng, Đinh Ngọc Ân, Kỹ thuật động cơ ô tô, NXB BK Hà Nội, 2020 [5] Nguyễn Tất Tiến, Vũ Thị Lạt, Hệ thống nhiên liệu và tự động điều chỉnh tốc độ động cơ đốt trong, Nhà xuất bản Đại học và THCN, Hà Nội 1998

[6] GS.TS Nguyễn Tất Tiến, Nguyên lý động cơ đốt trong, NXB - 2003

[7] Nguyễn Văn Trạng, Giáo trình động cơ đốt trong 1-2, ĐHSPKT TP HCM, 2007 [8] Phạm Minh Tuấn, Động cơ đốt trong, NXB giáo dục, Hà Nội 2003

Chương II CÁC CHI TIẾT CỐ ĐỊNH VÀ CHUYỂN ĐỘNG TRONG

ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

2.1 Các chi tiết cố định trong động cơ đốt trong

2.1.1 Thân máy- xi lanh

2.1.1.1 Thân máy

Nhiệm vụ: Thân máy (khối xi lanh) là bộ phận dùng để lắp đặt và bố trí hầu hết

các cụm chi tiết của động cơ như: xi lanh, nhóm trục khuỷu, nhóm pit tông thanh truyền, trục cam, bơm nhiên liệu, bơm dầu, bơm nước , thân tạo nên hình dáng của động cơ

Điều kiện làm việc: Trong quá trình động cơ làm việc, thân máy chịu tác dụng

của lực khí thể, tải trọng nhiệt, lực quán tính chuyển động không cân bằng gây ra và chịu va đập, rung giật, và toàn thể trọng lượng các chi tiết lắp trên nó

Vật liệu chế tạo: Thân máy có thường được đúc bằng gang hoặc hợp kim nhôm Cấu tạo:

Hình 2.1 Cấu tạo thân máy

Thân máy là một chi tiết cơ bản của động cơ Thân máy có nhiều kiểu với kết cấu khác nhau Căn cứ vào cách bố trí xi lanh, thân máy được chia thành hai loại: loại thân đúc liền và thân đúc rời:

Loại đúc liền: là hợp chung cho các xi lanh, dùng cho động cơ cỡ nhỏ và trung bình Loại thân máy có xi lanh đúc liền với thân máy thành một bộ phận gọi là thân

xi lanh

Loại đúc rời: Các xi lanh đúc riêng từng khối và ghép lại với nhau, dùng cho các động cơ cỡ lớn Loại thân máy có ống lót xi lanh làm riêng rồi lắp vào thân máy gọi là thân động cơ

Hiện nay thân máy có thể đúc liền với nửa trên của các te hoặc thân máy đúc liền với cả các te

Hình dáng, kích thước của thân máy phụ thuộc vào loại động cơ, số lượng xi lanh, phương án bố trí cơ cấu phân phối khí, phương pháp làm mát v.v

Thân máy động cơ bốn kỳ dùng xu páp đặt có cấu tạo phức tạp, ở thân máy không những là nơi gá lắp các cơ cấu hệ thống chính của động cơ mà còn là nơi có cửa nạp, cửa xả và ống dẫn hướng xu páp

Thân máy động cơ bốn kỳ dùng xu páp treo có cấu tạo đơn giản hơn so với thân máy động cơ bốn kỳ dùng xu páp đặt

Đối với động cơ làm làm mát bằng nước, bên trong thân máy có các khoang chứa nước (áo nước) Đối với động cơ làm mát bằng không khí, bên ngoài thân máy

có các phiến tản nhiệt

Hinh 2.2 Thân máy động cơ làm mát bằng không khí

Mặt trên của thân máy còn có các lỗ để lắp gugiông, bu lông, bên ngoài có lỗ

để lắp bơm dầu, bộ chia điện, các cửa để diều chỉnh xu páp

Thân máy động cơ hai kỳ loại không có xu páp, có đặc điểm là: trên thân xi lanh

có đường nạp thông với các te, đường thổi thông từ các te lên phần dung tích làm việc của xi lanh và đường xả thông từ xi lanh ra ngoài Tuỳ theo động cơ mà vị trí và cấu

tạo của đường nạp, đường xả và đường thổi khác nhau Nhưng thông thường đường thổi làm nghiêng lên phía trên một góc nhất định và đặt hai bên thành xi lanh Hai dòng khí qua cửa thổi vào xi lanh sẽ hội tụ tại một điểm rồi mới đi ngược lên phía trên để nạp đầy xi lanh và đẩy khí cháy ra ngoài

2.1.1.2 Xi lanh

Nhiệm vụ: Xi lanh được lắp trong thân máy, kết hợp với nắp máy đỉnh pít tông

để tạo thành buồng đốt, có nhiệm vụ dẫn hướng cho pít tông chuyển động

Điều kiện làm việc: Trong quá trình làm việc xi lanh chịu áp suất và nhiệt độ

cao ở thời kỳ cháy nổ, áp suất ở thời kỳ nén nổ; chịu ma sát và điều kiện bôi trơn kém

xi lanh còn thường xuyên tiếp xúc với các hạt mài và các chất ăn mòn trong sản phẩm cháy, nên xi lanh bị hao mòn nhiều Sự hao mòn của xi lanh làm giảm độ kín của buồng cháy, không đảm bảo lượng hỗn hợp cháy cần thiết, giảm áp suất cuối kỳ nén gây giảm công suất của động cơ, tăng tiêu hao nhiên liệu, giảm hiệu suất nhiệt của động cơ Ngoài ra xi lanh còn bị mài mòn với xéc măng (bạc); chịu lực nén của khí cháy tác dụng vào thành; chịu lực ngang do pít tông tác động trong chuyển động Vì vậy vật liệu chế tạo phải có cơ tính cao, chịu nhiệt cao không bị biến dạng, truyền nhiệt tốt, chịu mài mòn Thường khối xi lanh được đúc bằng gang xám, gang hợp kim crôm niken (gang có thể mạ ở phía trong) Có loại động cơ khối xi lanh đúc bằng nhôm, trường hợp này các ống xi lanh gang hay thép được đóng vào khối xi lanh nhôm Vài loại động cơ nhỏ lòng xi lanh được mạ crôm (làm tăng độ cứng, chịu mài mòn và tăng tuổi thọ của động cơ)

Đối với động cơ làm mát bằng gió như một số ôtô, xe gắn máy và máy bay dùng

xi lanh đúc rời từng chiếc một sau đó gắn vào các te trên nhờ gurông xi lanh được đúc bằng gang hay bằng nhôm kèm sơmi xi lanh Xung quanh xi lanh đúc nhiều cánh tản nhiệt để làm nguội nhanh

Hình 2.3 Xi lanh động cơ làm mát bằng gió