Nguyên lý làm việc động cơ đốt trong

Nh­ ®• nãi ë trªn, do sù tån t¹i cña chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn cña piston mµ qu¸ tr×nh ch¸y chØ x¶y ra theo mét chu kú x¸c ®Þnh. §Ó tiÕn hµnh mét lÇn ch¸y cÇn ph¶i tr¶i qua mét sè qu¸ tr×nh chuÈn bÞ. TËp hîp tÊt c¶ c¸c qu¸ tr×nh kh¸c nhau x¶y ra bªn trong xylanh theo mét tr×nh tù x¸c ®Þnh, ®­îc gäi lµ chu tr×nh c«ng t¸c. ë ®éng c¬ ®èt trong kiÓu piston, chu tr×nh c«ng t¸c ®­îc lÆp l¹i theo chu kú.

Chơng 2 Nguyên lý làm việc của động cơ đốt trong

2.1 Chu trình công tác và các phơng pháp thực hiện

Nh đã nói ở trên, do sự tồn tại của chuyển động tịnh tiến của piston mà quá trình cháy chỉ xảy ra theo một chu kỳ xác

định Để tiến hành một lần cháy cần phải trải qua một số quá trình chuẩn bị Tập hợp tất cả các quá trình khác nhau xảy ra bên trong xylanh theo một trình tự xác định, đợc gọi là chu trình công tác ở động cơ đốt trong kiểu piston, chu trình công tác đợc lặp lại theo chu kỳ

2.1.1 Các sơ đồ của chu trình công tác

Chu trình công tác của động cơ đốt trong kiều piston có thể thực hiện theo một trong ba sơ đồ giới thiệu trên hình 2.1

Hình 2-1 Sơ đồ của chu trình công tác của động cơ piston

Phun xăng

Không

khí

Nhiên liệu Hỗn hợp cháy

Nạp

Nén

Châm lửa và

cháy

Giãn

nở

Thải

Không khí Nạp

Nén Phun nhiên

liệu

Tạo hỗn hợp - Tự bốc

cháy

Giãn nở Thải

Không khí Nạp

Nén

Tạo hỗn hợp Nhiên liệu cháy

Thải Giãn nở

c)

a Động cơ tạo hỗn hợp bên ngoài (xăng, khí ga); b Động cơ tạo hỗn hợp bên trong (diesel); c Động cơ phun xăng trực tiếp vào bên trong

xilanh

Theo sơ đồ biểu diễn trên hình 2.1 a, chu trình công tác

đợc thực hiện nh sau: Nhiên liệu và không khí theo một tỷ lệ cần thiết đợc hòa trộn ở bên ngoài xylanh và tạo thành hỗn hợp cháy Hỗn hợp cháy đợc nạp vào xylanh sau đó đợc nén lại Sự nén hỗn hợp cháy là rất cần thiết để tăng công cho chu trình vì khi đó giới hạn nhiệt độ đợc mở rộng, đồng thời việc nén sơ bộ cũng tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình cháy của nhiên liệu và không khí đợc triệt để hơn Trong quá trình nén, hỗn hợp cháy tiếp tục hòa trộn và trở nên đồng đều hơn

Thành phần hỗn hợp cháy đợc đặc trng bằng hệ số d lợng không khí , là tỷ số giữa lợng không khí thực tế và lợng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn một kilogam nhiên liệu Khi tăng hệ số d lợng không khí , hỗn hợp trở nên nhạt (nghèo) hơn do làm giảm lợng nhiên liệu chứa trong hỗn hợp; khi giảm hệ số d lợng không khí , hỗn hợp sẽ đậm (giầu) hơn Hỗn hợp đã đợc chuẩn bị sẽ đợc đốt cháy bằng tia lửa điện

Do tốc độ cháy nhanh của hỗn hợp cháy bên trong xylanh mà nhiệt độ và áp suất của khí cháy tăng lên một cách đột ngột

áp suất khí cháy tác dụng lên đỉnh piston và làm cho piston dịch chuyển bên trong xylanh Trong quá trình giãn nở, khí cháy thực hiện công có ích, áp suất và nhiệt độ sẽ giảm xuống Sau khi giãn nở, cần phải đẩy sạch sản phẩm cháy ra khỏi xylanh (thải) và một chu trình công tác mới đợc lặp lại từ đầu Theo sơ đồ vừa khảo sát, việc chuẩn bị hỗn hợp của không khí với nhiên liệu (quá trình tạo hỗn hợp) xảy ra chủ yếu ở bên ngoài xylanh và xylanh đợc nạp đầy hỗn hợp cháy đã đợc chuẩn

bị Vì vậy động cơ làm việc theo sơ đồ này đợc gọi là động cơ tạo hỗn hợp bên ngoài Động cơ xăng, động cơ khí ga, động cơ phun nhiên liệu vào đờng ống nạp là những động cơ tạo hỗn hợp bên ngoài

Việc nén hỗn hợp cháy trong xylanh của những động cơ tạo hỗn hợp bên ngoài chỉ thực hiện đến mức sao cho áp suất và

nhiệt độ cuối quá trình nén không đạt đến mức để có thể xảy ra sự cháy sớm hoặc cháy kích nổ Tùy thuộc vào thành phần của loại nhiên liệu đợc sử dụng, điều kiện truyền nhiệt cho thành xylanh, áp suất cuối quá trình nén của động cơ tạo hỗn hợp bên ngoài nằm trong khoảng 1,0  2,0 MPa (10  20 KG/cm2) Nhợc điểm của chu trình công tác thực hiện theo sơ

đồ này là do tỷ số nén bị hạn chế mà tính kinh tế của động cơ không cao

Khi thực hiện chu trình công tác theo sơ đồ hình 2.1 b, quá trình tạo hỗn hợp chỉ xảy ra bên trong xylanh động cơ Trong quá trình nạp, xylanh đợc nạp đầy không phải là hỗn hợp cháy mà chỉ là không khí thuần khiết và sau đó không khí

đ-ợc nén lại ở cuối quá trình nén, nhiên liệu đđ-ợc phun vào bên trong xylanh dới áp suất cao qua vòi phun Nhiên liệu đợc phun thành sơng mù và hoà trộn với không khí nén bên trong xylanh Thay cho việc châm lửa, ở động cơ này sự bốc cháy nhiên liệu

là do tác dụng của nhiệt độ và áp suất cao của không khí nén gây ra Khi nhiên liệu đã bắt đầu cháy, quá trình phun nhiên liệu vẫn cha kết thúc Hỗn hợp cháy đợc tạo ra trong quá trình phun nhiên liệu vào không khí nén là không đồng nhất, do đó việc đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu chỉ có thể xảy ra với hệ số

d lợng không khí đủ lớn ( không nhỏ hơn 1,2  1,4)

Do mức độ nén cao hơn nên động cơ làm việc theo sơ đồ này sẽ có hiệu suất cao hơn so với động cơ tạo hỗn hợp bên ngoài

Sau quá trình cháy là quá trình giãn nở và thải sản phẩm cháy ra ngoài nh ở động cơ tạo hỗn hợp bên ngoài

Do quá trình tạo hỗn hợp và chuẩn bị cháy cho hỗn hợp đợc thực hiện bên trong xylanh nên động cơ làm việc theo sơ đồ này đợc gọi là động cơ tạo hỗn hợp bên trong

Động cơ tạo hỗn hợp bên trong có thể làm việc với cả nhiên liệu lỏng lẫn nhiên liệu khí nhng chủ yếu là bằng nhiên liệu lỏng Động cơ này còn có tên là động cơ đốt cháy do nén hay

động cơ diesel

Trong những năm gần đây ngời ta đã sử dụng phơng pháp tạo hỗn hợp kết hợp, nghĩa là phần lớn nhiên liệu sẽ đợc phun vào

đờng ống nạp, một phần nhiên liệu sẽ đợc phun vào xylanh ở cuối quá trình nén Làm việc theo nguyên tắc này có thể giảm

đợc áp suất lớn nhất bên trong xylanh và tiếng ồn khi cháy Quá trình tạo hỗn hợp bên trong xylanh cũng đợc thực hiện ở động cơ xăng đốt cháy bằng tia lửa điện (động cơ phun xăng trực tiếp)

2.1.2 Các khái niệm và định nghĩa cơ bản

Trớc khi nghiên cứu về quá trình làm việc của động cơ, ở

đây sẽ giới thiệu về các khái niệm và định nghĩa cơ bản th-ờng dùng trong quá trình nghiên cứu

Các vị trí của cơ cấu khuỷu trục thanh truyền trên hình 2.2 tơng ứng với khi đờng tâm thanh truyền và đờng tâm xylanh trùng nhau đợc gọi là điểm chết, bởi vì khi đó lực tác dụng lên đỉnh piston sẽ không làm quay trục khuỷu ( = 00 và

 = 1800) Các điểm chết sẽ tơng ứng với các vị trí biên của piston bên trong xylanh Vị trí biên của piston khi đó khoảng cách từ piston đến tâm quay của trục khuỷu là xa nhất ( = 00)

đợc gọi là điểm chết trên, tơng tự vị trí biên của piston khi đó khoảng cách từ piston đến tâm quay của trục khuỷu là gần nhất ( = 1800) đợc gọi là điểm chết dới

Khoảng cách khi piston dịch chuyển từ điểm chết trên xuống điểm chết dới gọi là hành trình của piston và đợc ký hiệu là S

Hình 2-2 Các vị trí của cơ cấu khuỷu trục - thanh truyền

Quá trình làm việc xảy ra trong một hành trình chuyển

động của piston (một phần của chu trình công tác) đợc gọi là

kỳ Khi piston dịch chuyển bên trong xylanh, không gian thể tích của nó sẽ thay đổi

Thể tích xylanh khi piston ở vị trí điểm chết trên gọi là thể tích buồng cháy và ký hiệu là Vc

Thể tích xylanh khi piston ở vị trí điểm chết dới gọi là thể tích toàn bộ của xylanh và ký hiệu là Va

Thể tích xylanh đợc tạo ra khi piston dịch chuyển từ điểm chết trên xuống điểm chết dới đợc gọi là thể tích công tác và

ký hiệu là Vh Rõ ràng là:

S

D

V h

4

2



 hay V h V a  V c

Trong đó: D - đờng kính xylanh;

S – hành trình của piston;

Thể tích công tác của xylanh thờng đo bằng

lít (dm3), động cơ cỡ nhỏ lắp trên xe mô tô thờng đo bằng

cm3 (phân khối)

Thể tích toàn bộ V a V h V c

Tỷ số giữa thể tích toàn bộ và thể tích buồng cháy đợc gọi

là tỷ số nén và ký hiệu là :

ĐCT

ĐCD

Sp

O

B

A A"

A'





h c

h c c

a

V

V V

V V V

V









 Mức độ nạp đầy của xylanh bởi môi chất công tác mới đợc

đánh giá bằng hệ số nạp v, là tỷ số giữa lợng môi chất công tác thực tế nạp vào xylanh và lợng môi chất có thể nạp đầy thể tích công tác ở nhiệt độ và áp suất trong đờng ống nạp

h k

tt v

V

G



  Trong đó:

k – khối lợng riêng của môi chất công tác ở áp suất và nhiệt

độ trong đờng ống nạp

Gtt – khối lợng môi chất thực tế đợc nạp vào xylanh

Khi khảo sát quá trình làm việc của động cơ, ngời ta dùng

đồ thị biểu diễn sự biến thiên của áp suất bên trong xylanh theo hành trình của piston trong một chu trình - đồ thị này

đợc gọi là đồ thị chỉ thị Đồ thị chỉ thị có thể nhận đợc khi tiến hành thử động cơ trên một thiết bị thử chuyên dùng hoặc

là theo kết quả tính toán lý thuyết chu trình công tác Trên đồ thị chỉ thị (hình 2.3), tung độ biểu diễn giá trị của áp suất p, hoành độ biểu diễn hành trình của piston tơng ứng với thể tích công tác của xylanh V Đờng nằm ngang mảnh tợng trng cho

áp suất pk trên đờng ống nạp

Chu trình công tác của động cơ đốt trong có thể đợc thực hiện sau bốn kỳ hoặc hai kỳ Trờng hợp thứ nhất đợc gọi là chu trình bốn kỳ, trờng hợp thứ hai đợc gọi là chu trình hai kỳ

2.1.3 Chu trình bốn kỳ

Đầu tiên chúng ta khảo sát chu trình công tác của động cơ bốn kỳ, trong đó chu trình đợc thực hiện sau hai vòng quay của trục khuỷu hay sau bốn hành trình chuyển động của piston Sơ đồ vị trí của cơ cấu khuỷu trục thanh truyền ở bốn hành trình công tác tơng ứng với bốn kỳ đợc biểu diễn ở hình 2.3

Xy lanh của động cơ đợc đậy kín bằng nắp máy, trong nắp máy ngời ta bố trí xupáp nạp để đóng mở đờng nạp môi

chất công tác mới và xupáp thải để đóng mở đờng thải sản phẩm cháy (khí thải) ra khỏi xylanh Các xupáp đợc giữ ở trạng thái đóng kín nhờ các lò xo xupáp cũng nh nhờ áp suất bên trong xylanh ở các kỳ nén và cháy giãn nở Việc mở xupáp ở các thời điểm cần thiết đợc tiến hành nhờ cơ cấu phối khí Ngoài xupáp, lò xo xupáp, trong cơ cấu phối khí còn bao gồm trục cam, con đội, có thể còn có cò mổ và đũa đẩy Trục cam đợc dẫn động chuyển động quay từ trục khuỷu với tỷ số truyền 2:1, nghĩa là số vòng quay của trục cam trong một phút bằng một nửa số vòng quay của trục khuỷu

Chu trình công tác của động cơ bốn kỳ đợc tiến hành nh sau:

Kỳ thứ nhất – kỳ nạp: Lúc bắt đầu của kỳ thứ nhất, piston ở

vị trí điểm chết trên Buồng cháy chứa đầy sản phẩm cháy của chu trình trớc, áp suất của nó lớn hơn một chút so với áp suất khí trời Trên đồ thị chỉ thị, điểm đầu tiên của quá trình nạp

là điểm r (hình 2.3 a) khi trục khuỷu quay (theo chiều kim

đồng hồ) thanh truyền làm piston dịch chuyển xuống phía dới, xupáp nạp đợc mở ra và không gian phía trên đỉnh piston thông với không gian đờng ống nạp Do piston dịch chuyển xuống phía dới mà xylanh đợc nạp đầy môi chất công tác mới (hỗn hợp cháy hoặc không khí) Do sức cản trên đờng ống nạp và của xupáp mà áp suất bên trong xylanh nhỏ hơn áp suất áp suất trên

đờng ống nạp (pk = 0,01  0,03 MPa) Công kỳ nạp đợc thể hiện bằng đờng r-a trên đồ thị

Hình 2-3 Sơ đồ nguyên lý làm việc và đồ thị công

của chu trình công tác động cơ bốn kỳ

a Kỳ hút; b Kỳ nén; c Kỳ cháy và giãn nở; d Kỳ thải

áp suất trên đờng ống nạp có thể gần bằng áp suất khí trời (động cơ không tăng áp) hoặc lớn hơn áp suất khí trời (tùy theo mức độ tăng áp có thể bằng 0,13  0,45 MPa) Khi tăng áp do tăng đợc lợng khí nạp mà công sinh ra trong một chu trình cũng

nh công suất của động cơ tăng lên nhng cũng làm cho áp suất

và nhiệt độ của chu trình tăng lên

Kỳ thứ hai – kỳ nén: Piston từ điểm chết dới lên điểm chết trên để thực hiện việc nén môi chất công tác chứa trong xylanh áp suất và nhiệt độ của môi chất công tác tăng lên Khi piston rời khỏi điểm chết dới, áp suất bên trong xylanh bằng áp suất trên đờng ống nạp (điểm m hình 2.3 b) Để tăng lợng hỗn hợp cháy (hoặc không khí) ở đầu thời kỳ nén (trớc điểm m) xupáp nạp vẫn mở Sự đóng muộn của xupáp nạp cho phép tận dụng độ chân không bên trong xylanh cũng nh động năng của dòng khí trên đờng ống nạp để nạp đầy xylanh động cơ

Sau khi xupáp nạp đóng lại và piston tiếp tục chuyển động

đi lên phía trên, áp suất và nhiệt độ bên trong xylanh tiếp tục tăng lên Trị số áp suất ở cuối quá trình nén (áp suất ở điểm c)

sẽ phụ thuộc vào tỷ số nén, chất lợng bao kín của xylanh, mức

độ truyền nhiệt cho thành xylanh và áp suất cuối quá trình nạp

Để sử dụng một cách có hiệu quả nhiệt lợng đợc giải phóng khi đốt cháy nhiên liệu, quá trình cháy phải đợc kết thúc ở gần

điểm chết trên Muốn vậy việc châm lửa đốt cháy hỗn hợp cháy (động cơ xăng, động cơ khí ga…) hoặc việc phun nhiên liệu ở động cơ diesel phải đợc tiến hành trớc điểm chết trên Tóm lại trong kỳ thứ hai đã tiến hành nén môi chất công tác, ngoài ra ở đầu thời kỳ nén còn tiến hành nạp thêm môi chất công tác mới và ở cuối thời kỳ nén đã tiến hành đốt cháy nhiên liệu hoặc phun nhiên liệu vào khí nén bên trong xylanh Trên

đồ thị công thời kỳ này đợc biểu diễn bằng đờng a-c (hình 2.3 b)

Kỳ thứ ba – kỳ cháy giãn nở: Kỳ thứ ba đợc tiến hành khi piston đi từ điểm chết trên xuống điểm chết dới ở đầu thời

kỳ này, nhiên liệu cháy với tốc độ rất mãnh liệt Do một lợng nhiệt lớn đợc giải phóng, áp suất và nhiệt độ bên trong xylanh tăng lên một cách đột ngột mặc dù thể tích của xylanh đã tăng lên (đoạn c-z trên đồ thị 2.3 c) Dới tác dụng của áp suất cao, piston tiếp tục chuyển động xuống phía dới và thực hiện quá trình giãn nở Khi giãn nở, khí cháy sẽ thực hiện công có ích Vì vậy kỳ thứ ba còn đợc gọi là hành trình sinh công Trên đồ thị chỉ thị, kỳ thứ ba tơng ứng với đờng c-z-b

Kỳ thứ t – kỳ thải: Nhiệm vụ của thời kỳ này là thải sạch sản phẩm cháy ra khỏi xylanh động cơ Piston đi từ điểm chết dới lên điểm chết trên, đẩy khí thải ra khỏi xylanh qua xupáp thải Xupáp thải thờng đợc mở sớm trớc điểm chết dới khoảng 40  600

góc quay trục khuỷu nhằm thực hiện giai đoạn thải tự do nhờ sự chênh áp Do vậy sẽ làm giảm đợc lực cản piston ở đầu thời kỳ thải cỡng bức và làm cho chất lợng thải sạch cao hơn Xupáp thải

đóng muộn sau điểm chết trên một góc 10  300 góc quay trục khuỷu để lợi dụng quán tính dòng khí thải nhằm thải sạch tối

đa khí thải ra khỏi xylanh Trên đồ thị chỉ thị, kỳ thải đợc biểu diễn bằng đoạn b-r (hình 2.3 d)

Chu trình làm việc của động cơ bốn kỳ kết thúc Khi piston tiếp tục dịch chuyển khỏi điểm chết trên thì một chu trình làm việc tiếp theo lại đợc bắt đầu và sẽ lặp lại nh cũ Trong bốn kỳ chỉ có kỳ cháy giãn nở là sinh công, còn các kỳ khác đợc thực hiện hoặc là nhờ động năng của các chi tiết chuyển động quay hoặc là nhờ công của các xylanh khác

Chất lợng nạp môi chất công tác và chất lợng thải sạch khí thải càng cao thì công của chu trình sẽ càng lớn

Để nâng cao chất lợng thải sạch và nạp đầy xylanh, các xupáp thải không đóng lại ở cuối kỳ thải (điểm chết trên) mà

đóng muộn sau điểm chết trên, cũng nh vậy xupáp nạp đợc mở sớm trớc điểm chết trên Do đó ở cuối thời kỳ thứ t, trong một khoảng thời gian nào đó, cả hai loại xupáp nạp và xupáp thải cùng mở Giai đoạn này đợc gọi là giai đoạn trùng điệp của các xupáp

2.1.4 Chu trình hai kỳ

Từ việc nghiên cứu chu trình của động cơ bốn kỳ ta thấy

động cơ bốn kỳ chỉ làm việc một nửa thời gian nh là một

động cơ nhiệt (nén và cháy giãn nở) còn nửa thời gian thứ hai (kỳ nạp và thải) động cơ làm việc nh là một máy bơm không khí Để sử dụng có hiệu quả thời gian cung cấp cho một chu trình, ngời ta sử dụng động cơ hai kỳ, trong đó chu trình công tác đợc thực hiện sau hai hành trình chuyển động của piston hay sau một vòng quay của trục khuỷu

Khác với động cơ bốn kỳ, ở động cơ hai kỳ quá trình làm sạch sản phẩm cháy khỏi xylanh và nạp đầy hỗn hợp mới – tức là quá trình trao đổi khí chỉ đợc thực hiện khi piston đi xuống gần điểm chết dới Việc thải sạch khí thải ra khỏi xylanh không phải bằng chuyển động của piston mà bằng không khí hoặc hỗn hợp cháy đã đợc nén sơ bộ trong máy nén khí hoặc bơm quét khí dới một áp suất nhất định Việc nén sơ bộ môi chất công tác mới ở động cơ hai kỳ công suất nhỏ đợc thực hiện nhờ khoang bên trong các te (hộp trục khuỷu) và piston

Trong quá trình trao đổi khí, một phần môi chất công tác mới đi ra ngoài xylanh cùng với khí thải, điều này cần phải đợc