Đặc điểm động cơ đốt trong

§éng c¬ ®èt trong lµ lo¹i ®éng c¬ nhiÖt ®­îc sö dông réng r•i nhÊt. §éng c¬ nhiÖt ®­îc chia thµnh hai lo¹i: §éng c¬ ®èt trong; §éng c¬ ®èt ngoµi: M¸y h¬i n­íc; tua bin h¬i; ®éng c¬ Schirlinger... Nh÷ng ®éng c¬ nµy kh«ng ®­îc giíi thiÖu trong gi¸o tr×nh. ë ®éng c¬ ®èt trong, qu¸ tr×nh ®èt ch¸y nhiªn liÖu, qu¸ tr×nh gi¶i phãng nhiÖt n¨ng vµ qu¸ tr×nh biÕn mét phÇn nhiÖt n¨ng thµnh c«ng c¬ häc ®­îc thùc hiÖn bªn trong xy lanh ®éng c¬. §éng c¬ ®èt trong bao gåm ®éng c¬ pÝt t«ng; ®éng c¬ hçn hîp; ®éng c¬ tuabin khÝ vµ ®éng c¬ ph¶n lùc.

Chơng 1

Động cơ đốt trong là một nguồn năng lợng 1.1 Những đặc điểm của động cơ đốt trong

Động cơ đốt trong là loại động cơ nhiệt đợc sử dụng rộng rãi nhất Động cơ nhiệt đợc chia thành hai loại:

- Động cơ đốt trong;

- Động cơ đốt ngoài: Máy hơi nớc; tua bin hơi; động cơ Schirlinger Những động cơ này không đợc giới thiệu trong giáo trình

ở động cơ đốt trong, quá trình đốt cháy nhiên liệu, quá trình giải phóng nhiệt năng và quá trình biến một phần nhiệt năng thành công cơ học đợc thực hiện bên trong xy lanh động cơ Động cơ đốt trong bao gồm động cơ pít tông; động cơ hỗn hợp; động cơ tuabin khí và động cơ phản lực

Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của động cơ đốt trong đợc giới thiệu trên hình 1.1

1 2

3 4

5

6 7 8

9

A

B

O ω

Hình 1-1 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo động cơ đốt trong kiểu pít

tông

1 Hộp trục khuỷu; 2 Xy lanh; 3 Xu páp thải; 4 Xu páp nạp; 5 Nắp

máy; 6 Pít tông;

7 Thanh truyền; 8 Trục khuỷu; 9 Các te dới

ở động cơ đốt trong kiểu pít tông, các chi tiết chủ yếu là

xy lanh 2; hộp trục khuỷu 1; pít tông 6; thanh truyền 7; trục khuỷu 8; xu páp thải 3 ; xu páp nạp 4

Nhiên liệu và không khí cần thiết để đốt cháy nó đợc đa vào xy lanh động cơ Khí cháy đợc tạo ra khi đốt cháy hỗn hợp công tác có áp suất và nhiệt độ cao sẽ tác dụng lên đỉnh pít tông và làm cho pít tông dịch chuyển bên trong xy lanh Chuyển động của pít tông qua thanh truyền đợc truyền đến trục khuỷu và biến chuyển động tịnh tiến của pít tông thành chuyển động quay của trục khuỷu Do tính chất chuyển động tịnh tiến của pít tông, nhiên liệu trong động cơ chỉ đợc đốt cháy gián đoạn theo chu kỳ và một chu trình công tác phải trải qua hàng loạt các quá trình chuẩn bị

ở động cơ tua bin khí, quá trình nén đợc thực hiện trong buồng cháy đặc biệt 2 Nhiên liệu đợc cung cấp vào buồng cháy qua vòi phun 1 Không khí cần thiết để đốt cháy đợc nén vào buồng cháy nhờ máy nén khí 5 đặt trên cùng một trục với bánh xe công tác 4 của tua bin (hình 1.2)

Hình 1-2 Sơ đồ nguyên lý động cơ tuabin khí

1 Vòi phun; 2 Buồng cháy; 3 Thiết bị dẫn hớng;

4 Bánh xe công tác; 5 Máy nén khí

4

2

3

Sản phẩm cháy qua thiết bị dẫn hớng 3 tác dụng lên các cánh của bánh xe công tác của tua bin Khác với động cơ pít tông, động cơ tua bin khí thực hiện đốt cháy liên tục nhiên liệu trong buồng cháy, quá trình cháy là liên tục

Tua bin khí có bộ phận công tác ở dạng cánh với prôfin đặc biệt lắp trên đĩa và có thể làm việc với tốc độ rất cao Việc sử dụng động cơ tua bin khí có bố trí một vài dãy cánh liên tiếp nhau (tuabin nhiều cấp) sẽ cho phép sử dụng có hiệu quả hơn năng lợng của khí cháy

Nhợc điểm của động cơ tua bin là làm việc không kinh tế bằng động cơ pít tông, đặc biệt là ở chế độ tải cục bộ Mặt khác các cánh của tuabin còn chịu ứng suất nhiệt rất lớn do phải chịu tác dụng của nhiệt độ cao Nếu giảm nhiệt độ của khí cháy đi vào tua bin để nâng cao tuổi thọ cho các cánh tua bin thì công suất và tính kinh tế của động cơ sẽ bị giảm Hiện nay, tua bin khí đợc sử dụng rộng rãi nh là một thiết bị phụ (thiết bị tăng áp) của động cơ pít tông hoặc động cơ phản lực và cũng đã đợc sử dụng nh là một thiết bị động lực độc lập

Việc nâng cao chất lợng của các vật liệu chịu nhiệt và hoàn thiện việc làm mát cho các cánh tua bin cũng nh việc hoàn thiện sơ đồ nhiệt động của nó cho phép nâng cao các chỉ tiêu công tác và phạm vi sử dụng động cơ tua bin khí trong

t-ơng lai

ở động cơ phản lực nhiên liệu lỏng, nhiên liệu và không khí đợc nén đến một áp suất nhất định trớc khi cung cấp vào buồng cháy Sản phẩm cháy giãn nở trong loa phụt 5 sau đó đẩy

ra môi trờng xung quanh Sự phụt ra khỏi loa phụt của dòng khí cháy chính là nguyên nhân làm xuất hiện phản lực (lực đẩy) của động cơ (xem hình 1.3) Đặc điểm của động cơ phản lực

là lực đẩy hầu nh không phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của thiết bị phản lực, còn công suất của nó tăng lên khi tăng tốc

độ của dòng khí vào động cơ, nghĩa là khi tăng tốc độ chuyển động Ngời ta đã sử dụng tính chất này khi sử dụng

động cơ phản lực trong ngành hàng không Nhợc điểm cơ bản của động cơ phản lực là tính kinh tế không cao và tuổi thọ thấp

Hình 1-3 Sơ đồ nguyên lý của động cơ phản lực

1 Thùng chứa khí nén; 2 Thùng chứa nhiên liệu; 3 Bơm;

4 Buồng cháy; 5 Loa phụt

Động cơ hỗn hợp là loại động cơ đốt trong bao gồm phần

động cơ pít tông, một vài máy nén hoặc thiết bị giãn nở cũng

nh một vài thiết bị cấp và nhả nhiệt giữa các máy công tác Năng lợng của thiết bị động lực này truyền cho bộ phận tiêu thụ công suất nhờ trục khuỷu của động cơ pít tông bằng trục của một máy giãn nở khác hoặc truyền đồng thời bằng cả hai trục

Số lợng máy nén và máy giãn nở cũng nh kiểu loại kết cấu của chúng, sự liên hệ giữa chúng với nhau và với phần pít tông phụ thuộc vào công dụng và điều kiện sử dụng của động cơ

tổ hợp Một trong những dạng tổ hợp đợc sử dụng rộng rãi nhất

là động cơ đốt trong kiểu pít tông đợc tăng áp bằng tua bin khí (hình 1.4) Khí thải có áp suất và nhiệt độ cao của động cơ pít tông cung cấp năng lợng cho các cánh tua bin khí 2 Tua bin khí 2 sẽ dẫn động máy nén khí 3, máy nén khí nén không khí đợc cung cấp từ khí trời đến một áp suất nhất định để nạp cho động cơ pít tông Do vậy mà làm tăng đợc khối lợng không khí nạp vào xy lanh động cơ so với động cơ không tăng

áp

5 4 3

2

1

Hình 1-4 Động cơ hỗn hợp

1 Phần động cơ pít tông; 2 Tua bin khí; 3 Máy nén khí

Động cơ đốt trong kiểu pít tông và động cơ hỗn hợp có phần pít tông là những động cơ có tính kinh tế cao nhất Do vậy nó đợc sử dụng rộng rãi trong ngành giao thông vận tải cũng nh các trạm năng lợng tĩnh tại Các động cơ này có tuổi thọ đủ lớn, có kích thớc và trọng lợng tơng đối nhỏ Nhợc điểm của loại động cơ này là có cấu tạo phức tạp và hạn chế khả năng nâng cao tốc độ vòng quay của trục khuỷu, đặc biệt là ở những động cơ có kích thớc lớn

Trong giáo trình này chỉ giới thiệu về động cơ đốt trong kiểu pít tông là loại động cơ đợc sử dụng phổ biến nhất trên các phơng tiện vận tải

1.2 Lịch sử phát triển của ngành động cơ đốt trong

Chiếc động cơ đốt trong đầu tiên trên thế giới đợc chế tạo vào năm 1860 tại Pháp do kỹ s Lơnoa thiết kế Đây là loại động cơ hai kỳ chạy bằng nhiên liệu khí và đốt cháy bằng tia lửa

điện Năm 1876 kỹ s ngời Đức Ôttô đã chế tạo thành công động

cơ bốn kỳ cũng chạy bằng nhiên liệu khí nhng lợng tiêu hao nhiên liệu nhỏ hơn hai lần so với động cơ của Lơnoa và động cơ này đã đợc dùng rất nhiều trong công nghiệp

ở nớc Nga, chiếc động cơ chạy bằng nhiên liệu khí đầu tiên đợc chế tạo vào năm 1908 tại nhà máy Kôlômensky, sau đó

đợc chế tạo tại các nhà máy khác

Các động cơ tĩnh tại chạy bằng dầu hỏa và các loại nhiên liệu nặng xuất hiện vào những năm 1884 ữ 1890 Những

động cơ này làm việc với tính kinh tế không cao, có suất tiêu hao nhiên liệu ge ≥ 0,4 kg/kW.h

Động cơ hai kỳ do nhà máy mang tên E.Noben (nay là nhà máy Ruski-Diezen) chế tạo vào năm 1893 đã đợc giải cao tại triển lãm Chicagô năm 1899 Cũng tại nhà máy này đã chế tạo chiếc động cơ bốn kỳ đốt cháy do nén, khác với động cơ do Diezen thiết kế (1897) ở chỗ là động cơ này làm việc bằng dầu thô chứ không phải bằng dầu hỏa Động cơ có suất tiêu hao nhiên liệu ge = 0,3 kg/kW.h thấp hơn 30% so với động cơ chạy bằng dầu hỏa Chỉ khi chuyển sang chạy bằng dầu thô động cơ diezen mới có tính kinh tế cao nhất Điều đó giải thích vì sao hiện nay động cơ diesel đợc sử dụng rộng rãi ở tất cả các n-ớc

ở nớc Nga ngay từ những ngày đầu chế tạo động cơ, ngời

ta đã quay về với việc thiết kế động cơ theo kết cấu nguyên bản trong nớc Trong số đó phải kể đến động cơ diesel bốn kỳ không tăng áp, có đảo chiều dùng cho tàu thủy với công suất 89

kW, đợc chế tạo vào năm 1908 Cùng năm đó cũng tại nhà máy này ngời ta đã chế tạo động cơ hai kỳ nằm ngang và vào năm

1911 đã chế tạo động cơ hình chữ V với công suất 147 kW với khối lợng tính trên một đơn vị công suất nhỏ nhất thời bấy giờ

là 13,6 kg/kW

Cùng với việc chế tạo động cơ, ngời ta bắt đầu nghiên cứu các vấn đề về mặt lý thuyết của chu trình công tác và kết cấu động cơ Ngay từ năm 1906 V.I.Grineviski đã đa ra phơng pháp tính toán chu trình công tác, sau đó đã đợc các nhà bác học N.R.Briling, E.K.Madeng, B.S.Strôkin hoàn thiện thêm

Cơ sở lý thuyết của chu trình công tác của động cơ hỗn hợp và sơ đồ kết cấu đầu tiên của nó đã đợc V.I.Grineviski nghiên cứu và đề xuất vào năm 1906 và sau đó là A.N.Selest vào năm 1912

Sau cách mạng xã hội chủ nghĩa Tháng 10 vỹ đại, ngành chế tạo động cơ đã phát triển với một tốc độ nhảy vọt Trong những năm của các kế hoạch năm năm đầu tiên ngời ta đã tiến hành tổ chức việc chế tạo động cơ đốt trong cho tất cả các lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân Từ năm 1928 đến năm

1941 đã chế tạo 14 loại động cơ diesel kiểu mới, trong đó có cả

động cơ tàu thủy 1470 kW và 3100 kW

Đã thành lập các viện nghiên cứu khoa học chuyên ngành và các phòng thiết kế ở các nhà máy Trong số đó phải kể đến các phòng thiết kế của các tổng công trình s Klimov, Konstantinop, Mikulin, Iakoplep…

Một trong những sự phát triển nổi bật của ngành chế tạo

động cơ trong những năm gần đây là sử dụng rộng rãi các

động cơ tăng áp bằng tua bin khí, điều đó cho phép hoàn thiện một cách đáng kể các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của

động cơ

ở Việt Nam ngành chế tạo động cơ đốt trong đang ở thời

kỳ bắt đầu phát triển Chúng ta đã chế tạo trên quy mô công nghiệp một số loại động cơ diesel dùng trong nông nghiệp, vận tải đờng sôngv.v Nhà máy diesel lớn nhất nớc ta hiện nay do Liên Xô thiết kế và viện trợ toàn bộ là nhà máy Diesel Sông Công (DISOCO) cũng đã sản xuất thành công trên quy mô công nghiệp động cơ diesel DSC80 dùng trên máy kéo MTZ50 và hàng loạt phụ tùng thay thế cho động cơ IFA-W50 và các động cơ khác

Cùng với mạng lới các nhà máy chế tạo, chúng ta đã xây dựng

đợc một hệ thống các nhà máy đại tu xe máy trong tất cả các lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân cũng nh trong quốc phòng

1.3 Đánh giá động cơ đốt trong nh một nguồn năng l-ợng

Sở dĩ động cơ đốt trong đợc sử dụng rất phổ biến trong tất cả mọi lĩnh vực của đời sống là do nó có rất nhiều u điểm Việc thực hiện chu trình công tác trong xy lanh với tổn thất nhiệt nhỏ và nhờ sự chênh lệch nhiệt độ khá cao giữa nguồn nóng và nguồn lạnh khiến cho động cơ có tính kinh tế cao và

đây là u điểm lớn nhất của động cơ đốt trong, đặc biệt là

động cơ diesel Một u điểm nữa của động cơ đốt trong là nó

có thể nối với bất kỳ nguồn tiêu thụ năng lợng nào do động cơ có khả năng thay đổi công suất và mô men trong một khoảng rộng Động cơ đốt trong có thể dùng trên ôtô, máy kéo, xe tăng, các đầu máy xe lửa, tàu thủy… nghĩa là có khả năng thích ứng rất cao với các nguồn tiêu thụ năng lợng

Các thiết bị động lực dùng động cơ đốt trong có lợng dự trữ hành trình ứng với mỗi lần nạp nhiên liệu rất cao Bằng chứng về điều đó là chuyến bay của các phi công anh hùng Liên Xô Skalốp và Grômốp trên máy bay AHT25 từ Moskva qua bắc cực đến châu Mỹ Các tàu thủy lắp động cơ đốt trong

có thể chạy hàng nghìn dặm mà không cần vào cảng Một u

điểm nữa của động cơ đốt trong là rất dễ khởi động Động cơ làm việc ở vùng có nhiệt độ thấp đợc trang bị các thiết bị sấy nóng để dễ dàng khởi động động cơ Sau khi khởi động,

động cơ có thể nhanh chóng nhận tải và có thể làm việc tốt ở khoảng thay đổi rất rộng của công suất và số vòng quay và ở các chế độ chuyển tiếp không ổn định Động cơ đốt trong lại

có đặc tính phanh rất tốt, điều này rất có ý nghĩa khi sử dụng chúng trong ngành giao thông vận tải

Động cơ diesel còn có u điểm là có thể làm việc đợc với những loại nhiên liệu khác nhau (động cơ đa nhiên liệu)

Song động cơ đốt trong kiểu pít tông cũng có nhiều nhợc

điểm So với các động cơ tua bin khí và tua bin hơi thì công suất không lớn và làm việc ồn, tốc độ cần thiết để khởi động lớn và khi khởi động phải tách động cơ khỏi thiết bị tiêu thụ công suất, khí thải độc hại làm ô nhiễm môi trờng Do sự tồn tại của chuyển động tịnh tiến của pít tông nên làm hạn chế việc

tăng số vòng quay của động cơ và cũng là một trong những nguyên nhân gây mất cân bằng động cơ

1.4 Các lĩnh vực sử dụng động cơ đốt trong

Động cơ đốt trong đợc chế tạo với công suất vài chục kw

đến vài nghìn kw và đợc sử dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực khác nhau của nền kinh tế quốc dân cũng nh trong quốc phòng, đặc biệt là trong ngành giao thông vận tải và trong nông nghiệp

Động cơ là nguồn năng lợng chủ yếu trên các xe ôtô Trong những năm gần đây, mặc dù đã đạt đợc một số thành tựu trong việc phát triển một số loại động cơ khác song những

động cơ này có đặc tính còn kém xa so với động cơ đốt trong kiểu pít tông và mới chỉ đang ở giai đoạn thí nghiệm Công suất của động cơ ôtô ngày nay đã vợt quá giá trị 1500 kW Trong ngành vận tải đờng sắt ở các nớc phát triển, hầu nh các đầu máy hơi nớc đã đợc thay thế bằng các đầu máy chạy

điện hoặc đầu máy diesel, trong đó có đến một nửa là động cơ diesel Cũng đã có những thí nghiệm dùng bằng động cơ tuabin khí để kéo đầu máy xe lửa, song loại động cơ này cha

đợc sử dụng rộng rãi

Công suất của mỗi đầu máy diesel có thể đạt tới 3000 kW Trong ngành đánh cá, động cơ đốt trong đợc sử dụng hầu

nh trên tất cả các tàu Trong ngành hàng hải, động cơ đốt trong đợc sử dụng phổ biến trên các tàu cỡ vừa với công suất

đến 20.000 kW ở phơng tây ngời ta đã sử dụng những động cơ đốt trong có công suất tới 29.400 kW, thậm chí đã chế tạo cả những động cơ công suất tới 37.500 kW Việc sử dụng rộng rãi động cơ diesel trên tàu thủy cũng còn vì một lý do nữa là những động cơ diesel công suất lớn và công suất trung bình có thể làm việc với nhiên liệu nặng, giá của nó thấp hơn nhiều so với nhiên liệu diesel

Việc xuất hiện động cơ đốt trong cũng làm thúc đẩy sự phát triển ngành hàng không ở phơng tây ngời ta đã chế tạo

ra những động cơ diesel tăng áp công suất tới 3.750 kW cho

máy bay Sau này do sự xuất hiện của động cơ phản lực đã làm cho tốc độ bay của máy bay tăng lên rất lớn và động cơ đốt trong kiểu pít tông chỉ còn đợc sử dụng trên các máy bay tập lái, máy bay thể thao và máy bay vận tải

Động cơ đốt trong là nguồn năng lợng chủ yếu trong việc cơ giới hóa nông nghiệp Trên máy kéo, các máy liên hiệp và các máy nông nghiệp khác ngời ta chỉ sử dụng động cơ đốt trong

mà chủ yếu là động cơ diesel (trừ những máy công suất nhỏ) Công suất của những động cơ máy kéo đã không ngừng tăng lên, đã đạt tới 350 kW và lớn hơn

Không có động cơ đốt trong thì không thể nói tới sự phát triển của ngành máy xây dựng Động cơ đốt trong đợc dùng trên máy ủi, máy cào đất, máy san nền, cần trục, xe chở bêtông, máy trộn bêtông…

Trong các trạm năng lợng tĩnh tại, động cơ đốt trong đợc dùng để kéo máy phát điện, động cơ đốt trong còn đợc dùng

để kéo máy nén và máy bơm để cung cấp khí đốt, dầu mỏ, nhiên liệu lỏng theo đờng ống

Để mã hiệu động cơ ngời ta dùng các chữ cái và chữ số ở

đây sẽ giới thiệu về cách mã hiệu động cơ của Nga và một số hãng chế tạo động cơ nổi tiếng khác

* Theo cách mã hiệu của Nga:

Ч - động cơ bốn kỳ

Д - động cơ hai kỳ

P - động cơ đảo chiều

C - động cơ tàu thủy có khớp đảo chiều

П - động cơ có hộp số

K - động cơ có guốc trợt

H - động cơ có tăng áp

Theo chữ số:

Chữ số thứ nhất chỉ số xy lanh

Chữ số trên của phân số chỉ đờng kính xy lanh theo cm, chữ số dới của phân số chỉ hành trình của pít tông theo cm Chữ số cuối cùng chỉ lần cải tiến thứ mấy…