BÀI GIẢNG HỌC PHẦN: KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ

Động cơ đốt trong Động cơ đốt trong là một trong các loại động cơ nhiệt, biến đổi nhiệt năng của nhiên liệu thành cơ năng.. Phõn loại động cơ đốt trong Động cơ đốt trong có thể đ-ợc p

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

BÀI GIẢNG HỌC PHẦN: KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ

SỐ TÍN CHỈ: 03

LOẠI HÌNH ĐÀO TẠO: ĐẠI HỌC CHÍNH QUY NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

Hưng Yên - 2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG HỌC PHẦN: KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ Ô TÔ

SỐ TÍN CHỈ: 03

LOẠI HÌNH ĐÀO TẠO: ĐẠI HỌC CHÍNH QUY NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

Hưng Yên, năm 2015

CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

1.1 Động cơ đốt trong

Động cơ đốt trong là một trong các loại động cơ nhiệt, biến đổi nhiệt năng của nhiên liệu thành cơ năng Động cơ nhiệt hoạt động với hai quá trình cơ bản như sau:

- Đốt cháy nhiên liệu, giải phóng hóa năng thành nhiệt năng và gia nhiệt cho môi chất công tác Trong giai đoạn này xảy ra các hiện tượng lý hoá rất phức tạp

- 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 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 nước cổ điển trên tàu hỏa, hai giai đoạn trên xảy

ra ở hai nơi khác nhau Giai đoạn thứ nhất xảy ra tại buồng đốt và nồi xúp-de, kết quả được 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

Ở động cơ đốt trong, hai giai đoạn trên diễn ra tại cùng một vị trí, đó là bên trong buồng công tác của động cơ

Hai loại động cơ nói trên đều có hai kiểu kết cấu, đó là động cơ kiểu pít tông và

kiểu tuabin theo sơ đồ dưới đây, hình 1-1

Hình 1-1 Động cơ đốt trong thuộc họ động cơ nhiệt

Do giới hạn của giáo trình, chúng ta chỉ xét động cơ đốt trong kiểu pít tông và từ đây gọi vắn tắt là động cơ đốt trong (ĐCĐT) Trong thực tế, động cơ kiểu tuabin là đối tượng khảo sát của chuyên ngành máy tuabin

Động cơ nhiệt

iston

1.2 So sỏnh động cơ đốt trong với cỏc loại động cơ nhiệt khỏc

lớn nhất, cú thể đạt tới 50%

hoặc hơn nữa Trong khi đú,

mỏy hơi nước cổ điển kiểu

pớt tụng chỉ đạt khoảng 16%,

tuabin hơi nước từ 22 đến

28%, cũn tuabin khớ cũng chỉ

tới 30%

- Kớch thước và trọng lượng nhỏ, cụng suất riờng

lớn Do đú, động cơ đốt

trong rất thớch hợp cho cỏc

phương tiện vận tải với bỏn

kớnh hoạt động rộng

- Khởi động, vận hành

và chăm súc động cơ thuận

tiện, dễ dàng

- Khả năng quỏ tải kộm, cụ thể khụng quỏ 10% trong 1 giờ

- Tại chế độ tốc độ vũng quay nhỏ, mụ men sinh

ra khụng lớn Do đú, động cơ khụng thể khởi động được khi cú tải và phải cú hệ thống khởi động riờng

- Cụng suất cực đại khụng lớn Vớ dụ, một trong những động cơ lớn nhất thế giới là động cơ của hóng MAN B&W cú cụng suất 68.520 kW (số liệu 1997), trong khi tuabin hơi bỡnh thường cũng cú cụng suất tới vài chục vạn kW

- Cấu tạo phức tạp, giỏ thành chế tạo cao

- Nhiờn liệu cần cú những yờu cầu khắt khe như hàm lượng tạp chất thấp, tớnh chống kớch nổ cao, tớnh

tự chỏy cao nờn giỏ thành cao Mặt khỏc, nguồn nhiờn liệu chớnh là dầu mỏ ngày một cạn dần Theo dự đoỏn, trữ lượng dầu mỏ chỉ đủ dựng cho đến giữa thế

kỷ 21

- ễ nhiễm mụi trường do khớ thải và ồn

1.3 Phõn loại động cơ đốt trong

Động cơ đốt trong có thể đ-ợc phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau:

Tiờu chớ phõn

loại Cỏc loại động cơ

Theo cỏch thực

hiện chu trỡnh

cụng tỏc

Động cơ bốn kỳ: Là động cơ cú chu trỡnh cụng tỏc thực hiện sau bốn

hành trỡnh của pớt tụng hay hai vũng quay của trục khuỷu

Động cơ hai kỳ: Là động cú chu trỡnh cụng tỏc thực hiện sau hai hành

trỡnh của pớt tụng hay một vũng quay của trục khuỷu

Động cơ nhiờn liệu lỏng: như xăng, điờzen (diesel), cồn pha xăng

Theo nhiên liệu

hoặc điêzen (diesel), dầu thực vật

Động cơ nhiên liệu khí: 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+ xăng, ga

+ điêzen (diesel)…

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

điêzen (diesel) và xăng, hoặc động cơ dùng cả xăng và khí đốt

pháp hình thành

khí hỗn hợp

Hình thành hỗn hợp bên ngoài xy lanh như động cơ xăng dùng bộ

chế hòa khí hoặc hệ thống phun xăng gián tiếp (phun vào đường nạp)

Hình thành hỗn hợp bên trong xy lanh như động cơ điêzen (diesel)

hay động cơ phun xăng trực tiếp (Gasoline Direct Injection - GDI)

vào xy lanh

pháp đốt cháy

hỗn hợp

Động cơ đốt cháy cưỡng bức như động cơ xăng

Động cơ cháy do nén như động cơ điêzen (diesel)

pháp nạp

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

bởi sự chênh áp giữa đường nạp và xy lanh

Động cơ tăng áp: không khí hay hỗn hợp được nén trước khi nạp vào

xy lanh

Theo tốc độ trung bình của pít tông

30

n S

phân loại động cơ như sau:

Động cơ tốc độ trung

bình

Theo dạng chuyển động

của pít tông

Động cơ pít tông tịnh tiến thường gọi ngắn gọn là động cơ pít

tông Đa số động cơ đốt trong là động cơ pít tông

Động cơ pít tông quay hay động cơ rôto do Wankel phát minh

năm 1954 nên còn gọi là động cơ Wankel

Theo cách bố trí xy lanh Thứ tự bố trí xy lanh

Động cơ thẳng hàng

Động cơ chữ V

Động cơ đối đỉnh

Động cơ hình sao

Hình 1-2: Động cơ thằng hàng

Hình 1-3: Động cơ chữ V

Hình 1-4: Động cơ đối đỉnh

Hình 1-5: Động cơ

hình sao

1.4 Nguyên lý làm việc của động cơ đốt trong loại trục khuỷu – thanh truyền

1.4.1 Sơ đồ nguyên lý và cấu trúc cơ bản

Cấu tạo của động cơ đốt trong bao gồm:

a Cơ cấu sinh lực gồm:

1 Bộ hơi: Xy lanh, cụm pít tông, nắp máy…

2 Bộ phận chuyển động và dự trữ năng lượng: Trục khuỷu, thanh truyền, bánh đà

b Các hệ thống và cơ cấu khác:

1 Cơ cấu phối khí: Cụm xuppap hút và xả, trục cam, cơ cấu dẫn động trục cam

2 Hệ thống bôi trơn: Cácte dầu, bơm dầu, lọc dầu, các tuyến dầu, két làm mát dầu…

3 Hệ thống làm mát: Két nước, bơm nước, áo nước, van hằng nhiệt, đường ống nước…

4 Hệ thống cung cấp nhiên liệu: Hệ thống nhiên liệu dùng chế hòa khí hoặc phun xăng,

hệ thống nhiên liệu đông cơ điêzen (diesel)

5 Hệ thống điện động cơ: Hệ thống khởi động, hệ thống cung cấp điện…

Hình 1-6: Cấu trúc động cơ 4 kỳ

1 Trục khuỷu 2 Thanh truyền

3 Xy lanh 4 Pít tông

5 Xuppap nap 6 Họng hút

7.Trục cam nạp 8.Trục cam xả

9 Xuppap xả 10.Nắp máy

11 Đường ống xả

1

2 3

4 5

6

§CT

§CD

D

Hình 1-7: Lược đồ động cơ bốn kỳ

1 Trục khuỷu 2 Thanh truyền,

3 Piston 4 Xuppáp thải(xả)

5 Vòi phun (động cơ diesel) hay bugi (động cơ xăng),

6 Xuppáp nạp ĐCT Điểm chết trên ĐCD Điểm chết dưới

S Hành trình piston

D Đường kính xy lanh

1.4.2 Các khái niệm và thông số cơ bản của động cơ đốt trong

Dựa vào lược đồ hình 1-7 Ta có thể đưa ra một số khái niệm cơ bản sau:

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

lanh của động cơ và trong các hệ thống gắn liền với xy lanh như hệ thống nạp - thải

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

trong xy lanh của động cơ và diễn ra trong một chu kì

Kỳ là một phần của chu trình công tác xảy ra khi pít tông dịch chuyển một hành trình

Điểm chết: Trong hoạt động của cơ cấu sinh lực có hai khái niệm điểm chết: điểm

chết của pít tông và điểm chết của trục khuỷu

Điểm chết của pít tông là điểm mà tại đó pít tông có vận tốc bằng 0, hoặc diễn giải theo một cách khác: là điểm pít tông ở vị trí cao nhất hoặc thấp nhất trong lòng xy lanh Như vậy pít tông có 2 điểm chết (hình 1.8) là điểm chết trên (ĐCT) và điểm chết dưới (ĐCD) Điểm chết trên của pít tông là điểm mà pít tông cách xa đường tâm trục khuỷu nhất Điểm chết dưới của pít tông là điểm mà pít tông cách tâm trục khuỷu một khoảng ngắn nhất

Điểm chêt của trục khuỷu cũng có hai vị trí là điểm chết trên (ĐCT) và điểm chết dưới (ĐCD), là các điểm mà tại đó đường tâm của má khuỷu trùng với đường tâm của thanh truyền

Hành trình pít tông (S): Là khoảng cách giữa hai điểm chết (m)

tông ở ĐCD tới mặt đỉnh pít tông ở ĐCT

pít tông ở ĐCT tới bề mặt của vòm nắp máy bao kín phía trên xy lanh

pít tông ở ĐCD tới bề mặt của vòm nắp máy bao kín phía trên xy lanh

Hình 1-8: Các vị trí điểm

chết của ĐCĐT

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

c h

c

c h

min

max

V

V 1 V

V V V



1.4.3 Nguyên lí làm việc của động cơ xăng 1 xy lanh

Động cơ bốn kỳ có chu trình công tác được thực hiện sau bốn hành trình của pít

tông hay hai vòng quay của trục khuỷu

Hành trình thứ nhất: hành trình nạp( HÚT), hình 1-10

Pít tông đi từ ĐCT xuống ĐCD tạo nên độ chân không trong xy lanh Hoà khí từ

đường nạp gọi là khí nạp mới được hút vào xy lanh qua xuppáp nạp đang mở và hoà trộn với khí sót của chu trình trước tạo thành hỗn hợp công tác Xuppáp nạp mở sớm một góc

Hình 1-9: Đồ thị mô tả các quá trình làm việc của động cơ bốn kỳ không tăng áp

a Đồ thị công b Đồ thị pha

Hình 1-12: Hành trình

cháy trong động cơ xăng

Hình 1-13: Hành

trình xả trong động

cơ xăng

Hình 1-10 Hành

trình nạp của động

cơ xăng

Hình 1-11: Hành

trình nén trong động

cơ xăng

Hành trình thứ hai: hành trình NÉN , hình 1-11

ĐCT nhằm tận dụng quán tính của dòng khí nạp để nạp thêm Hỗn hợp công tác bị nén khi hai xuppáp cùng đóng dẫn tới tăng áp suất và nhiệt độ trong xy lanh Tại điểm c’ gần

Sau một thời gian chuẩn bị rất ngắn, quá trình cháy thực sự diễn ra làm cho áp suất và nhiệt độ trong xy lanh tăng lên rất nhanh

Hành trình thứ ba: hành trình cháy- giãn nở (NỔ ), hình 1-12

Pít tông 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 xy lanh tăng nhanh Khí cháy giãn

do một lượng đáng kể sản vật cháy ra khỏi xy lanh vào đường thải

Hành trình thứ tƣ: hành trình thải (XẢ), hình 1-13

Pít tông đi từ ĐCD lên ĐCT, sản vật cháy bị thải cưỡng bức do pít tông đẩy ra khỏi

xy lanh Để tận dụng quán tính của dòng khí nhằm thải sạch thêm, xuppáp thải đóng

muộn sau ĐCT một góc 4 ở hành trình nạp của chu trình tiếp theo.

1.4.4 Nguyên lí làm việc của động cơ điêzen (diesel) 1 xy lanh

Nguyên lý làm việc của động cơ điêzen (diesel) 4 kỳ cũng tương tự như động cơ xăng , gồm các kỳ HÚT-NÉN-NỔ-XẢ, nhưng có một số nét khác biệt:

Hành trình nạp( HÚT) , hình 1-14

Pít tông đi từ ĐCT xuống ĐCD, xuppap nạp mở, xuppap thải đóng Không khí

để tăng lượng không khí nạp vào xy lanh

Hình 1-14: Hành trình

hút trong động cơ diesel

Hình 1-15: Hành trình

nén trong động cơ diesel

Hình 1-17: Hành trình

xả trong động cơ diesel

Hình 1-16: Hành trình

cháy động cơ diesel

Hành trình NẾN ,hình 1-15

Pít tông đi từ ĐCD lên ĐCT, các xuppap đóng kín, không khí trong xy lanh bị nén lại tới nhiệt độ và áp suất cao, nhiệt độ buồng cháy động cơ điêzen (diesel) lúc này

C Cuối hành trình nén, vòi phun phun nhiên liệu vào trong buồng cháy của động

Hành trình cháy- giãn nở ( NỔ), hình 1-16

Nhiên liệu (dầu điêzen (diesel)) áp suất cao(115kg/cm2- 1900kg/cm2) phun vào không khí được nén đến áp suất và nhiệt độ cao trong buồng cháy nên tự bốc cháy Quá trình cháy sinh công đẩy pít tông đi xuống ĐCD Cuối hành trình cháy, xuppap thải mở

cháy ra ngoài

Hành trình thải( XẢ),hình 1-17

Pít tông đi từ ĐCD đến ĐCT, xuppap thải mở, khí cháy được đẩy ra ngoài qua

ra ngoài

*) Nguyên lí làm việc của động cơ 2 kì , hình 1-18 và 1-19

Động cơ hai kỳ, như đã nêu trong phần phân loại, có chu trình công tác thực hiện

sau hai hành trình của pít tông hay một vòng quay của trục khuỷu

Hành trình thứ nhất:

Pít tông đi chuyển từ ĐCT đến ĐCD, khí đã cháy và đang cháy trong xy lanh giãn nở sinh công Khi pít tông

mở cửa thải A, khí cháy có áp suất cao được thải tự do ra đường thải Từ khi pít tông mở cửa quét B cho đến khi đến điểm chết dưới, khí nạp mới có áp suất cao nạp vào xy lanh đồng thời quét khí đã cháy ra cửa A

Như vậy trong hành trình thứ nhất gồm các quá trình: cháy giãn nở, thải tự do, quét khí và nạp khí mới

Hành trình thứ hai:

Pít tông di chuyển từ ĐCD đến ĐCT, quá trình quét nạp vẫn tiếp tục cho đến khi pít tông đóng cửa quét B

Hình 1-18: Hoạt động của động cơ

2 kì

Từ đó cho đến khi pít tông đóng của thải A, môi chất trong xy lanh bị đẩy qua cửa thải ra ngoài, vì vậy giai đoạn này gọi là giai đoạn lọt khí Tiếp theo

là quá trình nén bắt đầu từ khi pít tông đóng cửa thải A cho tới khi nhiên liệu phun vào xy lanh (động cơ điêzen (diesel)) hoặc bugi (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

1.4.5 Nguyên lý làm việc của động cơ nhiều xy lanh, hình 1-20

Trong thực tế, động cơ một xy lanh chỉ được sử dụng trên xe máy và một số loại máy nông nghiệp và chế biến sản phẩm nông nghiệp Nhằm mục đích nâng cao công suất động cơ người ta ghép các động cơ một xy lanh (động cơ đơn) lại với nhau tạo thành động cơ nhiều xy lanh Động cơ có từ 3 xy lanh trở lên được gọi là động cơ nhiều xy lanh Trong động cơ nhiều xy lanh, kích thước các chi tiết của các xy lanh như nhau nên quá trình làm việc của các xy lanh cũng giống nhau, chỉ khác nhau về pha Điều này phụ thuộc vào việc bố trí vị trí tương quan giữa các xy lanh

Việc bố trí này tuân theo những quy tắc sau:

- Đảm bảo mômen của động cơ trong một chu trình là đồng đều nhất Theo nguyên tắc này, ở động cơ đốt trong một hàng xy lanh, người ta bố trí sao cho góc công tác giữa

2 xy lanh làm việc liên tiếp là như nhau

- Không để tải trọng tập trung quá nhiều vào một hoặc một số cổ trục khuỷu nào

đó để trục có sức bền đồng đều

- Trục khuỷu phải có hình dạng động lực hợp lý

Hình 1-19: Các biểu đồ đặc trưng cho

các trang thái làm việc của động cơ 2 kì

a Đồ thị pha ; b Đồ thị công

Nguyên lí làm việc của động cơ 4 kì 4 xy lanh thẳng hàng

Với dạng trục khuỷu như hình 1-21.1 có thể bố trí góc công tác giữa hai xy lanh

180 4



k

động cơ phát ra đều Mặt khác, trục khuỷu có dạng đối xứng nên tính cân bằng động lực tốt, với cấu trúc trục khuỷu trên có thể có các thứ tự làm việc là 1-3-4-2 hoặc 1-2-4-3

Ta có bảng trình tự làm việc như sau:

a Trình tự làm việc 1-3-4-2

Vòng quay

trục khuỷu

Góc quay trục khuỷu

Thứ tự xy lanh

1/2 vòng thứ

1/2 vòng thứ

1/2 vòng thứ

1/2 vòng thứ

b Thứ tự làm việc kiểu 1-2-4-3

Vòng quay

trục khuỷu

Góc quay trục khuỷu

Thứ tự xy lanh

1/2 vòng thứ

o

1/2 vòng thứ

o

1/2 vòng thứ

o

1/2 vòng thứ

o