Mục đích: Giới thiệu khái quát về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của động cơ đốt trong và ứng dụngcủa nó trong nền kinh tế quốc dân.Nội dung: Lý thuyết 8 tiết, thực hành 24 tiết.Tài liệu tham khảo: Động cơ đốt trong, 20012008, tác giả: Phạm Minh TuấnGiảng viên: PGS. TS.Hoàng Đình Long, Tel. 0983658884, Email: longhd.icegmail.com
Trang 1Nhập môn CNKT ô tô
Chuyên đề: Động cơ đốt trong
Mục đích: Giới thiệu khái quát về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của động cơ đốt trong và ứng dụng
của nó trong nền kinh tế quốc dân
Nội dung: Lý thuyết 8 tiết, thực hành 24 tiết
Tài liệu tham khảo: Động cơ đốt trong, 2001-2008, tác giả: Phạm Minh Tuấn
Giảng viên: PGS TS.Hoàng Đình Long, Tel 0983658884, Email: longhd.ice@gmail.com
Chương 1 Giới thiệu chung về động cơ đốt trong
1.1 Khái niệm về động cơ đốt trong
Động cơ đốt trong là một loại động cơ nhiệt,
biến đổi nhiệt năng do đốt cháy nhiên liệu thành cơ
năng kéo máy công tác, trong đó quá trình đốt cháy
nhiên liệu, giãn nở và sinh công của khí cháy được
thực hiện bên trong động cơ
• Động cơ: là 1 thiết bị biến đổi một dạng
năng lượng này thành 1 dạng năng lượng khác
(thường là biến đổi một dạng năng lượng nào đó
thành cơ năng)
• Động cơ nhiệt: là 1 thiết bị biến đổi nhiệt
năng thành cơ năng
Động cơ đốt trong gồm:
- Động cơ đốt trong kiểu pít tông (thường gọi
tắt là động cơ đốt trong): Là động cơ đốt trong,
trong đó quá trình biến đổi nhiệt năng thành cơ năng
được thực hiện nhờ tác động của áp lực của khí cháy lên pít tông truyền qua thanh truyền làm quay trục khuỷu
Động cơ đốt trong kiểu pít tông được sử dụng rất rộng rãi trên các phương tiện vận tải như
xe máy, ô tô, máy kéo, tàu thuỷ…, trên các thiết bị công trình như máy ủi, máy xúc, máy đào … và trên các thiết bị tĩnh tại như máy phát điện, bơm
nước…
- Hai loại động cơ đốt trong khác là động
cơ tua bin khí và động cơ phản lực nhưng thường
không được liệt vào động cơ đốt trong:
+ Động cơ tua bin khí: Là động cơ đốt
trong, trong đó quá trình biến đổi nhiệt năng thành
cơ năng được thực hiện nhờ tác động của năng
lượng dòng khí cháy lên các cánh tua bin làm
quay tua bin
Động cơ tua bin khí được sử dụng rộng rãi
trên các trạm phát điện, các thiết bị vận tải cỡ lớn như tàu biển, máy bay
3 4
2 1
7
Trang 2+ Động cơ phản lực: Là động cơ đốt trong, trong đó năng lượng dòng khí cháy gãn nở thoát
ra ngoài tạo nên phản lực lên động cơ
Động cơ phản lực được sử dụng rộng rãi trên các máy bay phản lực
1.2 Sự ra đời và phát triển của động cơ đốt trong kiểu pít tông
Động cơ đốt trong được phát minh vào năm 1860 bởi kỹ sư người Pháp có tên Jean Joseph Etienne Lenoir Chiếc động cơ đầu tiên mà Lenoir chế tạo sử dụng nhiên liệu khí than và được trang
bị một xy-lanh nằm ngang Sau đó, vào năm 1864, Siegfried Marcus, người Áo, đã cải tiến động cơ đốt trong của Lenoir từ sử dụng nhiên liệu khí than sang sử dụng gas Chiếc động cơ này được gắn vào một một chiếc xe có thể vận hành với vận tốc 16km/h
Từ đó động cơ đốt trong phát triển rất mạnh Hiện nay sản lượng hàng năm có thể đạt đến trên 40 triệu chiếc với công suất từ 0,1 đến khoảng 70.000 kW dùng cho các lĩnh vực giao thông vận tải, xây dựng, nông lâm nghiệp, năng lượng … và gia dụng
1.3 Phân loại động cơ đốt trong kiểu pít tông
Động cơ ô tô thuộc về động cơ đốt trong, đó là một loại động cơ nhiệt thực hiện việc biến đổi nhiệt năng, do nhiên liệu cháy trong xi lanh tạo ra, thành cơ năng làm quay trục khuỷu để dẫn động máy công tác (ô tô, xe lửa, tàu thuỷ, máy phát điện, v.v)
Động cơ ô tô có nhiều loại, khác nhau ở nhiên liệu sử dung, nguyên lý hoạt động và kết cấu
- Dựa theo loại nhiên liệu sử dụng, động cơ ô tô được chia thành động cơ xăng, động cơ diesel
và động cơ ga (dùng nhiên liệu khí)
- Dựa theo số hành trình của pít tông để thực hiện một chu trình công tác, động cơ được chia
thành động cơ bốn kỳ và động cơ hai kỳ
- Dựa theo phương pháp làm mát, động cơ được chia thành động cơ được làm mát bằng nước
và động cơ được làm mát bằng gió
- Dựa theo đặc điểm cấu tạo, động cơ được chia thành động cơ một xi lanh, động cơ nhiều xi
lanh, động cơ xi lanh bố trí một hàng, động cơ hai hành xi lanh bố trí hình chữ V, v.v
Trên ô tô hiện nay sử dụng phổ biến là động cơ bốn kỳ nhiều xi lanh, làm mát bằng nước và chạy bằng xăng hoặc dầu diesel Động cơ xăng thường được dùng nhiều cho các xe du lịch, còn động cơ diesel thì được dùng nhiều cho các loại xe tải Động cơ hai kỳ và động cơ ga được sử dụng không nhiều
Không khí
Khí cháy
Trang 31.4 Ứng dụng của động cơ đốt trong (kiểu pít tong)
Động cơ đốt trong ngày nay có công suất từ rất nhỏ (một vài mã lực) đến rất lớn (hàng chục nghìn mã lực) và được áp dụng trong mọi lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân
Động cơ cỡ nhỏ (Động cơ ô tô và các máy công tác khác)
Động cơ cỡ lớn (động cơ kéo máy phát điện, động cơ kéo chân vịt tàu thủy)
Trang 4Động cơ đốt trong được sử dụng làm nguồn động lực trên rất nhiều lính vực: Giao thông vận tải đường bộ (ô tô, xe máy), đường sắt (tàu hỏa), đường không (máy bay trực thăng), máy phát điện, máy làm đất, v.v…
Trang 5Chương 2 Nguyên lý làm việc của động cơ đốt trong
2.1 Sơ đồ cấu tạo động cơ một xi lamh và các khái niệm cơ bản
a) Sơ đồ
b) Các khái niệm cơ bản
- Điểm chết: là vị trí của pít tông mà tại đó pít tông đổi chiều chuyển động Có hai điểm chết là
điểm chết trên (ĐCT) và điểm chết dưới (ĐCD)
+ ĐCT là điểm chết tương ứng với vị trí pít tông ở xa tâm trục khuỷu, khi đó buồng công tác của xi lanh có thể tích nhỏ nhất gọi là thể tích buồng cháy Vc
+ ĐCD là điểm chết tương ứng với vị trí pít tông ở gần tâm trục khuỷu, khi đó buồng công tác của xi lanh có thể tích lớn nhất Va gọi là thể tích toàn phần
- Tỷ số nén ε - là tỷ số giữa thể tích toàn phần của xi lanh Va và thể tích buồng cháy Vc,
c
a
V
V
ε=
- kỳ: là một phần của chu trình làm việc của động cơ xảy ra trong thời gian pít tông dịch chuyển
một hành trình
- Thể tích công tác V h - là thể tích xi lanh tương ứng với hành trình S của pít tông và được tính
4
πD V
2
h =
Trong đó: D - đường kính xi lanh (dm);
S - hành trình pít tông (dm)
Điểm chết, thể tích buồng cháy
Vc, thể tích toàn phần Va và hành trình S
§CD
§CT
Va
Vc
S
Sơ đồ cấu tạo của động
cơ bốn kì
1- trục khuỷu; 2- thanh
truyền; 3- pít tông; 4-
xi lanh; 5- ống nạp; 6-
xupáp nạp; 7- bugi (vòi
phun); 8- xupáp thải; 9-
ống thải; 10- chiều
quay của động cơ (nhìn
từ phía đầu máy)
8 7
5
4
3
2
1
6
9
10
Trang 62.2 Nguyên lý làm việc của động cơ 4 kỳ không tăng áp
tạo ra chênh áp hút khí nạp mới vào xi lanh qua cửa nạp Đối với động cơ xăng tạo hỗn hợp bên ngoài xi lanh, khí nạp mới là hỗn hợp của hơi xăng và không khí, còn đối với động cơ diesel và động cơ phun xăng trực tiếp (tạo hỗn hợp bên trong xi lanh) thì khí nạp mới là không khí
ĐCT, thực hiện nén khí trong xi lanh làm cho áp suất và nhiệt độ của khí tăng lên Gần cuối kì nén thì bu-gi bật tia lửa điện để đốt cháy hỗn hợp không khí và hơi nhiên liệu trong xi lanh (đối với động cơ xăng) hoặc vòi phun phun dầu diesel dưới dạng sương mù vào không khí nén ở nhiệt độ cao trong xi lanh và tự bốc cháy (đối với động cơ diesel) Quá trình cháy bắt đầu ở cuối kì nén và tiếp diễn sang kì tiếp theo
c) Kì cháy và giãn nở (kì nổ) - diễn ra sau kì nén Ở kì này, các xupáp vẫn đóng kín, quá trình
cháy hỗn hợp nhiên liệu và không khí diễn ra rất mãnh liệt ở đầu hành trình khi pít tông đã qua ĐCT, làm tăng nhiệt độ và áp suất khí cháy lên rất cao Áp suất khí cháy cao gây áp lực lớn lên pít tông và đẩy pít tông chuyển động xuống ĐCD, thông qua thanh truyền làm quay trục khuỷu Khi pít tông đi xuống thì áp suất trong xi lanh giảm dần
d) Kì thải - diễn ra sau kì cháy giãn nở Ở kỳ này, xupáp nạp vẫn đóng kín, xupáp thải mở, pít tông di chuyển từ ĐCD lên ĐCT đẩy khí đã cháy ra ngoài qua cửa thải
Kết thúc kỳ thải là kết thúc một chu trình làm việc của động cơ, sau đó chuyển động của pít tông tiếp tục được lặp lại theo trình tự của chu trình làm việc nói trên
Nhận xét về chu trình làm việc của động cơ bốn kì
- Trong bốn kì giới thiệu ở trên chỉ có duy nhất kì cháy giãn nở là kì sinh công làm quay trục khuỷu, các kì còn lại là các kì cản được trục khuỷu dẫn động nhờ năng lượng tích trữ (động năng) của bánh đà và nhờ công của các xi lanh khác (động cơ nhiều xi lanh) trong quá trình làm việc Khi khởi động động cơ, phải quay trục khuỷu bằng động cơ điện hoặc tay quay để thực hiện ba kì cản nói trên cho tới khi động cơ bắt đầu làm việc
- Để bảo đảm phần lớn nhiên liệu được cháy khi pít tông ở lân cận ngay sau ĐCT, tia lửa điện phải được bật sớm hoặc nhiên liệu diesel phải được phun sớm để quá trình cháy bắt đầu trước ĐCT Thời điểm bật tia lửa điện hoặc phun nhiên liệu diesel trước ĐCT được tính theo góc quay trục khuỷu và được gọi là góc đánh lửa sớm hoặc góc phun sớm
- Để thải sạch khí thải và nạp đầy khí nạp mới vào trong xi lanh để cho động cơ làm việc khỏe cần phải mở sớm và đóng muộn các xupáp với ĐCT và ĐCD Các góc mở sớm, đóng muộn vào khoảng 20o-60o góc quay trục khuỷu
Chu trình làm việc của động cơ 4 kì (a)- kì nạp; (b)- kì nén; (c)- kỳ cháy và giãn nở; (d)- kì thải
Trang 72.3 Nguyên lý làm việc của động cơ 2 kỳ
2.3.1 Nguyên lý làm việc
Chu trình làm việc được thực hiện trong 2 hình trình pít tông (1 vòng quay trục khuỷu)
đóng cửa quét), nén, cháy
- Hành trình 1: Pít tông đi từ ĐCT đến ĐCD, xảy ra các quá trình sau:
+ Ở đầu hành trình xảy ra quá trình cháy hỗn hợp không khí nhiên liệu làm tăng nhiệt độ và
áp suất khí trong xi lanh;
+ Tiếp theo là quá trình giãn nở sinh công, khí có áp suất cao gây áp lực lên pít tông đẩy pít tông chuyển động xuống, truyền qua thanh truyền làm quay trục khuỷu;
+ Khi pít tông đến gần ĐCD mở cửa thải xảy ra quá trình thải tự do thải tự do làm áp suất trong xi lanh giảm;
+ Khi pít tông mở cửa quét, khí quét (không khí hoặc hỗn hợp không khí – nhiên liệu) có áp suất cao hơn áp suất khí cháy trong xi lanh đi vào xi lanh đẩy khí cháy ra ngoài và điền đầy xi lanh
- Hành trình 2: Pít tông đi từ ĐCD lên ĐCT, xảy ra các quá trình sau:
+ Đầu hành trình khi cửa quét vẫn mở, quá trình quét khí vẫn tiếp tục;
+ Khi pít tông đóng cửa quét, cửa thải còn mở thì xảy ra quá trình lọt khí;
+ Khi cửa thải đóng thì quá trình nén bắt đầu;
+ Khi pít tông đến gần ĐCT, khí trong xi lanh bị nén đến nhiệt độ và áp suất cao, bu gi bật tia lửa điện (trong động cơ xăng) hoặc vòi phun phun nhiên liệu (trong động cơ diesel) thì quá trình cháy bắt đầu
2.3.2 So sánh động cơ 2 kỳ và 4 kỳ
- Nếu cùng đường kính xi lanh D, hành trình S và tốc độ vòng quay thì về mặt lý thuyết động cơ 2
kỳ có công suất gấp đôi động cơ 4 kỳ nhưng thực tế do tổn thất hành trình cho quét khí nên công suất chỉ cao hơn 1,6-1,8 lần
- Mô men động cơ 2 kỳ đều hơn
- Cơ cấu phối khí động cơ 2 kỳ đơn giản nhưng chất lượng nạp thải kém động cơ 4 kỳ
2.4 Nguyên lý làm việc của động cơ tăng áp
Phương pháp hiệu quả để tăng công suất động cơ trong khi động cơ vẫn nhỏ gọn là tăng lượng khí nạp mới vào xi lanh nhờ nén khí trước khi nạp vào động cơ Như vậy khí nạp sẽ được qua máy nén để được đẩy vào xi lanh động cơ Máy nén có thể được dẫn động trực tiếp từ trục khuỷu của
Xu páp
Cửa quét
Xi lanh
Vòi phun
Pít tông
Dầu bôi trơn
Trang 8động cơ gọi là tăng áp cơ khí, hoặc được dẫn động từ một tuabin hoạt động nhờ năng lượng khí thải Khí thải từ động cơ được dẫn vào tuabin để làm quay tuabin, và tuabin lại dẫn động máy nén Tuabin và máy nén được làm thành một cụm tuabin-máy nén có trục quay chung, khi động cơ chạy toàn tải tốc độ cụm tuabin-máy nén có thể tới 100.000v/p
2.5 Nguyên lý làm việc của động cơ nhiều xi lanh
Trong hầu hết các động cơ nhiều xi lanh, kích thước
các chi tiết ở các xi lanh là như nhau nên đặc điểm chu
trình làm việc của các xi lanh cũng giống nhau chỉ lệch
pha về góc quay giữa các khuỷu trục trên trục khuỷu Do
đó, điều kiện bảo đảm cho tốc độ động cơ quay đều là các
kì “cháy giãn nở” (hay gọi là kì nổ) của các xi lanh phải
được phân chia đều trong thời gian ứng với một chu trình
(hai vòng quay của trục khuỷu) Nếu gọi ϕ là khoảng cách
tính theo góc quay trục khuỷu giữa hai kỳ nổ của hai xi
lanh nổ kế tiếp nhau và i là số xi lanh thì điều kiện để trục khuỷu quay đều là
i
720o
=
ϕ Ví dụ đối với động cơ 4 xi lanh thì ϕ = 180o, động cơ 6 xi lanh ϕ =120o, động cơ 8 xi lanh ϕ =90o, v.v
2.6 Các thông số kinh tế kỹ thuật cơ bản của động cơ đốt trong
Các thông số làm việc chính của động cơ gồm công suất có ích Ne, mô men có ích Me, suất tiêu hao nhiên liệu có ích ge, tốc độ vòng quay n ở chế độ thiết kế (ứng với vị trí tay ga mở hoàn toàn
Công suất có ích của động cơ N e (công suất của động cơ) - là công suất đo được trên đuôi trục khuỷu của động cơ để kéo máy công tác Công suất thường được tính bằng mã lực (hp) hoặc kW, (1
mã lực=0,736 kW)
Mômen của động cơ Me - là mômen đo được trên đuôi trục khuỷu của động cơ Giữa mômen và công suất có mối liên hệ sau:
n
N 9,55 n
2
60N
e = =
π (Nm) trong đó Ne (W) - công suất động cơ; n
(vòng/phút) - tốc độ động cơ Từ đây ta có:
9,55
M
e
n
=
Để xác định công suất của động cơ, người ta đo tốc độ và mômen trên đuôi trục khuỷu động cơ trên băng thử rồi tính ra công suất theo công thức trên
Hiệu suất của động cơηe- là tỷ số giữa nhiệt lượng chuyển thành công có ích chia cho nhiệt lượng sinh ra do nhiên liệu cháy trong xi lanh:
nl nl
e e
.Q G
N
η = trong đó: Gnl (kg/s) - lượng nhiên liệu cấp cho động cơ trong 1 giây; Qnl (J/kg) - nhiệt trị thấp của 1 kg nhiên liệu
Suất tiêu hao nhiên liệu ge - là lượng nhiên liệu tiêu thụ thính theo gam cho một mã lực hoặc
kW trong 1 giờ (g/mãlực.h hoặc g/kW.h):
e
nl e
N
G
g =
Suất tiêu hao nhiên liệu thể hiện tính kinh tế của động cơ, động có tính kinh tế càng cao thì ge càng nhỏ Động cơ ô tô có ge vào khoảng 210-250 g/mãlực.h đối với động cơ xăng và 160-190 g/mãlực.h đối với động cơ diesel
Trang 9Chương 3 Các cơ cấu và hệ thống của động cơ đốt trong
Để hoạt động được bình thường, động cơ đốt trong có các bộ phận và hệ thống sau:
- Thân máy và ắp xi lanh;
- Cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền;
- Cơ cấu phân phối khí;
- Hệ thống cung cấp nhiên liệu;
- Hệ thống bôi trơn;
- Hệ thống làm mát;
- Hệ thống đánh lửa trong động cơ xăng;
- Hệ thống khởi động;
Ngoài ra còn có hệ thống xử lý khí thải (trung hoà thành phần độc hại)
3.1 Thân máy, nắp xi lanh
Nhiệm vụ: mang giữ các chi tiết, cơ cấu và hệ thống khác của động cơ
3.2 Cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền
3.2.1 Nhiệm vụ: Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền gồm nhóm pít tông, nhóm thanh truyền, trục khuỷu và bánh đà có nhiệm vụ chung là tiếp nhận áp lực khí thể trong xi lanh và biến lực này thành
mô men làm quay máy công tác
Thân máy
Nắp xi lanh
Mặt cắt ngang của một động cơ
Thân máy
Nắp xi lanh
Đệm nắp máy
Gu giông và
bu lông nắp
Thân máy và nắp xi
lanh
Trang 103.2.2 Các chi tiết chính
a) Nhóm pít tông
- Nhiệm vụ: bao kín buồng cháy, truyền lực từ áp lực khí (ở kỳ giãn nở sinh công) qua thanh truyền làm quay trục khuỷu và nhận dẫn động từ trục khuỷu thực hiện các quá trình hút, nén và thải khí -Cấu tạo pít tông:
Đỉnh
Thân
Đầu
Rãnh lắp xéc
măng
Lỗ lắp chốt pít
tông
Pít tông
1- chốt pít tông; 2- vòng chặn chốt;
3- đường dẫn dầu lên bôi trơn chốt.
2
1
3
Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền
1- trục khuỷu;
2- thanh truyền;
3- chốt pít tông;
4- xéc măng;
5- pít tông;
6- bu lông thanh truyền;
7- bạc lót đầu to thanh truyền.
4
1 2
5 6
7 3