TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT HUNG
KHOA Ô TÔ
GIÁO TRÌNH
NGUYÊN LÝ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
(Lưu hành nội bộ)
TS. Nguyễn Công Thuật
ThS. Lương Đức Nghĩa
HÀ NỘI 2016
CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
1.1 Động cơ động cơ đốt trong là một loại động cơ nhiệt
Động cơ nhiệt là một loại máy biến đổi nhiệt năng của nhiên liệu thành cơ năng.
Có thế phân quá trình công tác của động cơ nhiệt thành hai quá trình cơ bản.
- 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 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 hoả, 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.
Còn 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 piston và
kiểu tuốc-bin theo sơ đồ dưới đây, hình 1-1.
Hình 1-1. Động cơ đốt trong thuộc họ động cơ nhiệt
Do giới hạn của hc phần, chúng ta chỉ xét động cơ đốt trong kiểu piston và từ
đây gi vắn tắt là động cơ đốt trong.
1.2 So sánh động cơ đốt trong với các động cơ nhiệt khác
1.2.1 Ưu điểm
- Hiệu suất có ích lớn nhất, có thể đạt tới 50% hoặc hơn nữa. Trong khi đó, máy
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%.
- Kích thước và trng lượng nhỏ, công suất riêng lớn. Nguyên nhân chính là do
quá trình cháy diễn ra trong xy lanh của động cơ nên không cần các thiết bị cồng kềnh
như là 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 Nhược điểm
- Khả năng quá tải kém, cụ thể không quá 10% trong 1 giờ.
- Tại chế độ tốc độ vòng quay nhỏ, mô men 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 thải và ồn.
Tuy nhiên, động cơ đốt trong hiện nay vẫn là máy động lực chủ yếu, đóng vai trò
vô cùng quan trng 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 hc, trong vòng
nửa thế kỷ tới vẫn chưa có động cơ nào có thể thay thế được động cơ đốt trong.
1.3 Phân loại và các thuật ng cơ bn dng trong động cơ đốt trong
1.3.1. Phân loại
a/ Theo phương pháp thực hiện chu trình công tác có:
- Động cơ bốn kỳ - chu trình được thực hiện trong bốn hành trình pittông hoặc
hai vòng quay trục khuỷu.
- Động cơ hai kỳ - chu trình được thực hiện trong hai hành trình pittông hoặc
một vòng quay trục khuỷu.
b/ Theo loại nhiên liệu dùng cho động cơ có:
- Động cơ dùng nhiên liệu lỏng, nhẹ (xăng, benzen, dầu hoả, cồn...)
- Động cơ dùng nhiên liệu lỏng, nặng (nhiên liệu điêden, dầu mazút, gazôin...)
- Động cơ dùng nhiên liệu khí (khí lò ga, khí thiên nhiên, khí hoá lỏng, nhiên
liệu khí nén).
- Động cơ dùng nhiên liệu khí cộng với nhiên liệu lỏng (phần chính là nhiên liệu
khí, phần mồi là nhiên liệu lỏng).
- Động cơ đa nhiên liệu (dùng các nhiên liệu lỏng từ nhẹ đến nặng).
c/ Theo phương pháp nạp của chu trình công tác có:
- Động cơ không tăng áp. Quá trình hút không khí hoặc hoà khí vào trong xilanh
là do pittông hút trực tiếp từ khí trời (động cơ bốn kỳ) hoặc do không khí quét được nén
tới áp suất đủ để thực hiện việc thay đổi môi chất và nạp đầy xilanh (động cơ hai kỳ).
- Động cơ tăng áp, không khí hoặc hoà khí vào xilanh động cơ có áp suất không
khí lớn hơn áp suất khí trời, nhờ thiết bị tăng áp (động cơ bốn kỳ) hoặc việc quét xilanh
và nạp không khí hoặc hoà khí được không khí thực hiện nhờ không khí có áp suất cao,
đảm bảo chẳng những tăng lượng môi chất mà còn tăng lượng khí nạp vào xilanh.
Thuật ngữ “tăng áp” có nghĩa là tăng lượng môi chất mới nhờ nâng cao áp suất trên
đường nạp qua đó tăng mật độ khí nạp.
d/ Theo phương pháp hình thành hoà khí (hỗn hợp giữa không khí và nhiên liệu)
- Động cơ hình thành hòa khí bên ngoài;
- Động cơ hình thành hòa khí bên trong;
e/ Theo phương pháp đốt cháy hoà khí
- Động cơ đốt cháy cưỡng bức dùng tia lửa điện như động cơ xăng, động cơ ga;
- Động cơ đốt cháy bằng tự cháy do nén như động cơ điêden;
- Động cơ đốt cháy tổ hợp như động cơ ga – điêden;
- Động cơ đốt cháy hỗn hợp (cháy do cộng hưởng của hai nguồn nhiệt là tia lửa
và nhiệt độ thành vách buồng đốt)
f/ Theo loại chu trình công tác
- Chu trình đẳng tích ở động cơ xăng và ga;
- Chu trình hỗn hợp ở động cơ điêden;
g/ Theo đặc điểm cấu tạo động cơ
- Theo đặc điểm cơ cấu trục khuỷu thanh truyền
- Theo số xi lanh
- Theo cách đặt xi lanh
h/ Theo khả năng thay đổi chiều quay của trục khuỷu
- Động cơ quay phải (trục khuỷu quay theo chiều kim đồng hồ);
- Động cơ quay trái (trục khuỷu quay ngược chiều kim đồng hồ);
- Động cơ quay được cả hai chiều;
j/ Theo chiều lực khí thể tác dụng trên pít tông
- Động cơ tác dụng đơn;
- Động cơ tác dụng kép;
k/ Theo tốc độ trung bình của pittông (
30
n
SCm
; m/s) có:
- Động cơ tốc độ thấp
smCm/5,6
);
- Động cơ cao tốc (C
m
> 6,5 m/s) ;
trong đó : s – hành trình pittông (m); n – số vòng quay trục khuỷu (vg/ph).
m/ Theo công dụng của động cơ
- Động cơ tĩnh tại hoạt động cố định ở một điểm như trạm bơm, trạm phát điện;
- Động cơ tàu thủy;
- Động cơ đầu xe lửa;
- Động cơ ô tô, máy kéo;
- Động cơ máy bay;
1.3.2. Định nghĩa cơ bản dùng trong mô tả nguyên lý động cơ đốt trong
- Điểm chết: điểm chết là điểm mà piston đổi chiều chuyển động.
- Điểm chết trên (ĐCT) là điểm xa nhất của piston so với đường tâm trục khuỷu.
- Điểm chết dưới (ĐCD) là điểm gần nhất của piston so với đường tâm trục
khuỷu.
- Hành trình piston S (stroke) là khoảng cách từ vị trí cao nhất của piston (điểm
chết trên ĐCT) đến vị trí thấp nhất của của piston (điểm chết dưới ĐCD) khi piston dịch
chuyển S = 2.R; trong đó R- là bán kính quay của trục khuỷu.
- Thể tích làm việc của xylanh Vh là thể tích của xylanh giới hạn trong khoảng
một hành trình của piston:
Thể tích làm việc của động cơ VH
VH = Vh. i (1-3)
Trong đó: i - là số xylanh của động cơ.
+ Thể tích buồng cháy Vc
+ Thể tích chứa hoà khí (thể tích toàn bộ) Va
Va = Vh + Vc (1-4)
+ Tỷ số nén của động cơ ε là tỷ số giữa thể tích chứa hoà khí của xylanh Va và
thể tích buồng cháy Vc.
+ Tỷ số nén biểu hiện 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 tùy thuộc vào loại động cơ và thường có trị số như sau:
Động cơ Xăng : ε = 3,5 ÷ 11
Động cơ Diezel: ε = 13 ÷ 22
1.4. Nguyên lý làm việc của động cơ đốt trong
1.4.1. Nguyên lý làm việc của động cơ bốn kỳ không tăng áp
Chu trình làm việc của động cơ bốn kỳ được thực hiện như sau (hình 1.2):
Hình 1.2 Nguyên lý làm việc của động cơ bốn kỳ không tăng áp
- Kỳ một – hút : đầu kỳ một, pittông còn nằm ở ĐCT. Lúc ấy trong thể tích Vc
của buồng cháy, choán đầy khí sót (sản vật cháy) do chu trình trước để lại, áp suất khí
sót hơi cao hơn áp suất khí trời. Trên đồ thị công, vị trí bắt đầu kỳ một tương ứng với
điểm r (hình 1.2 a). Khi trục khuyủ quay (theo chiều mũi tên), thanh truyền làm cho
pittông chuyển dịch từ ĐCT xuống ĐCD, cơ cấu phân phối khí mở thông đường qua
xupáp nạp, nối không gian bên trên pittông với đường ống nạp.
Cùng với mức tăng tốc độ của pittông, áp suất môi chất trong xilanh cũng nhỏ
dần so với áp suất môi chất trên đường nạp pk (chênh lệch áp suất giữa đường nạp và
xilanh vào khoảng 0,01 – 0,03Mpa). Chênh lệch áp suất kể trên tạo nên quá trình hút
(nạp), môi chất mới (không khí đối với điêden và hoà khí đối với động cơ xăng) từ
đường ống nạp vào xilanh.