Chương 2 – Nguyên lý làm việc của động cơ đốt trong

12
Chương 2 – Nguyên lý làm việc của động cơ đốt trong

13
Chương 2
NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

I. ĐỊNH NGHĨA CÁC DANH TỪ KỸ THUẬT CƠ BẢN
I.1. Điểm chết
Điểm chết là vò trí cuối cùng của piston khi di chuyển một hành trình trong xylanh. Tại vò trí
này vận tốc của piston bằng không và piston bắt đầu đổi chiều chuyển động.
Như vậy, theo đònh nghóa này điểm chết sẽ có hai vò trí:
Điểm chết trên (ĐCT): là vò trí mà piston nằm xa đường tâm trục khuỷu nhất.
Điểm chết dưới (ĐCD): là vò trí mà piston nằm gần đường tâm trục khuỷu nhất.
I.2. Hành trình của piston (S)
Hành trình của piston là khoảng cách dòch chuyển của piston giữa hai điểm chết, ký hòệu là S.


D.
V
2
h



S = 2.RChương 2 – Nguyên lý làm việc của động cơ đốt trong

14
Đối với động cơ có i xylanh thì thể tích công tác của động cơ là V
h
= V
h
.i
Trong đó: D – đường kính của xylanh.
S – hành trình của piston.
i – số xylanh của động cơ.
I.4. Thể tích buồng cháy (V
c
)
Thể tích buồng cháy là khoảng không gian trong xylanh được giới hạn bởi đỉnh piston, xylanh
và nắp xylanh khi piston ở điểm chết trên, ký hiệu là V
c
.
I.5. Thể tích toàn bộ (V
a

chỉ khảo sát một chu trình công tác trong toàn bộ quá trình làm việc của động cơ.
Trong một chu trình công tác của động cơ 4 kỳ được thực hiện như sau:
II.1. Quá trình nạp, quá trình nén, quá trình cháy – giãn nở và quá trình thải
II.1.1. Quá trình nạp
V
a
= V
h
+ V
c

c
h
c
hC
c
a
V
V
1
V
V
V
V
V




Chương 2 – Nguyên lý làm việc của động cơ đốt trong

khỏi ĐCD. Việc đóng muộn supap nạp như trên có tác dụng nạp thêm môi chất mới vào xylanh, điều
này có được là do tác dụng của động năng và chênh lệch áp suất của dòng môi chất đi vào.
Sau khi supap nạp đóng, piston chuyển động lên phía ĐCT làm cho áp suất và nhiệt độ môi
chất trong xylanh tăng dần. Giá trò áp suất cuối quá trình nén phụ thuộc vào: tỉ số nén

, độ kín khít
của không gian chứa môi chất mức độ tản nhiệt của thành xylanh và áp suất đầu quá trình nén.
Để tạo điều kiện tốt cho môi chất cháy một cách kòp thời và nhiệt lượng sinh ra được tận dụng
triệt để thì việc đốt cháy hỗn hợp phải được thực hiện trước khi piston tới ĐCT. Cụ thể, đối với động
cơ xăng (đốt cháy cưỡng bức bằng tia lửa điện) thì bougie phải tạo ra tia lửa trước khi piston đến
ĐCT, đối với động cơ Diesel thì nhiên liệu phun vào từ vòi phun trước khi pison đến ĐCT.
4

Chương 2 – Nguyên lý làm việc của động cơ đốt trong

16
II.1.3. Quá trình cháy giãn nở
Vào kỳ ba môi chất bò nén trong xylanh ở cuối kỳ nén được bốc cháy với tốc độ rất nhanh. Tốc
độ gia tăng áp suất và nhiệt độ của môi chất rất cao, tạo áp lực sinh công đẩy piston dòch chuyển về
phía ĐCD thực hiện quá trình giãn nở môi chất trong xylanh. Chính vì vậy kỳ ba còn gọi là kỳ sinh
công, trong quá trình này cả hai supap đều đóng (hình 2.2c).

a b c d
Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ Disel bốn kỳ.
a) quá trình nạp ; b) quá trình nén ; c) quá trình cháy giãn nở ; d) quá trình thải.
1 – supap nạp; 2 – supap thải; 3 – piston; 4 – vòi phun.
II.1.4. Quá trình thải
Piston dòch chuyển từ ĐCD lên ĐCT đẩy sản vật cháy ra khỏi xylanh động cơ qua supap thải
đang mở. Do áp suất môi chất trong xylanh vào cuối kỳ cháy giãn nở còn khá cao nên supáp xả phải
mở sớm trước khi piston xuống đến ĐCD khoảng 40 ÷ 60


Chương 2 – Nguyên lý làm việc của động cơ đốt trong

17
Bảng 1
Động cơ không tăng áp Động cơ tăng áp
Cơ cấu phân
phối khí
Mở trước ĐCT

Đóng sau ĐCT Mở trước ĐCT

Đóng sau ĐCT

Supap nạp 15

30
0
10

30
0
0

80
0
20

40
0
Đồ thò công P –V thể hiện biến thiên của áp suất theo sự thay đổi của thể tích trong lòng
xylanh động cơ, trong đó:
P – áp suất trong lòng xylanh.
V – thể tích của môi chất trong xylanh.
p
0
– áp suất khí trời (p
0
= 0,1 MN/m
2
).
p
r
– áp suất khí sót.
r – điểm khí sót.
Như đã đề cập ở phần trên, các supap nạp và thải không đóng mở tại vò trí của điểm chết mà

a
Ð
CT

Ð
CD

V

P

p
r
p
max
Hình

2.5.

Đồ thò công P
–

V
của động cơ 4 kỳ không tăng áp
.

Chương 2 – Nguyên lý làm việc của động cơ đốt trong

18
Supap nạp:
Hình 2.6. Đồ thò công triển khai P –

.
Giản đồ phân phối khí của động cơ bốn kỳ, cho biết
qui luật phân phối khí hay qui luật đóng mở các supap của
cơ cấu phân phối khí. Trên (hình 2.7) có O là tâm quay của
trục khuỷu động cơ và chiều quay của động cơ cùng chiều
kim đồng hồ như hình vẽ.
01 – vò trí mở supap nạp.
02 – vò trí đóng supap nạp.
1

2 – toàn bộ góc mở của supap nạp.
2

3 – toàn bộ góc của quá trình nén.
04 – vò trí bật tia lửa điện (động cơ xăng) hoặc phun
nhiên liệu (động cơ Diesel).
4

5 – toàn bộ góc của quá trình cháy giãn nở.
0
o

180
o

360

Giản đồ phân phối khí của
động cơ bốn kỳ.
0

1

23

4

56
*

Chương 2 – Nguyên lý làm việc của động cơ đốt trong

19
05 – vò trí mở sớm của supap thải.
06 – vò trí đóng muộn của supap thải.
5

6 – toàn bộ góc mở của supap thải.


20
Như vậy ở kỳ một, trong xylanh động cơ thực hiện các quá trình: cháy giãn nở của môi chất công tác,
xả khí thải, quét và nạp đầy môi chất mới vào xylanh động cơ.
III.1.2. Kỳ hai
Tương ứng với hành trình piston đi từ ĐCD lên ĐCT. Vào đầu kỳ hai quá trình thay đổi môi
chất vẫn tiếp tục thực hiện trong xylanh. Đến khi cửa quét và cửa xả được đóng kín thì quá trình nén
được bắt đầu, cửa quét có thể đóng đồng thời hoặc sớm hơn so với cửa thải (hoặc supap thải). Trước
khi piston lên đến ĐCT khoảng 10

30
o
tương ứng với góc quay trục khuỷu nhiên liệu được phun qua
vòi phun vào xylanh động cơ (động cơ Diesel) hoặc bougie bật tia lửa điện để đốt cháy hỗn hợp
(động cơ xăng).
a – Quét khí b –
nén
c – phun nhiê
n liệu
d – thải sản vật cháy
Hình 2.9. Sơ đồ làm việc của động cơ Diesel hai kỳ quét thẳng qua supap thải.
Như vậy ở kỳ hai, trong xylanh thực hiện các quá trình: kết thúc các quá trình thải, quét - nạp
đầy môi chất mới và xylanh và thực hiện quá trình nén.
Khi trục khuỷu quay được một vòng, lúc này động cơ đã thực hiện xong một chu trình công
tác. Năng lượng từ bánh đà và các chi tiết chuyển động khác làm cho piston tiếp tục dòch chuyển từ
ĐCT về ĐCD và bắt đầu một chu trình công tác tiếp theo, cứ như vậy giúp cho động cơ làm việc được
liên tục.
Nhận xét đối với động cơ hai kỳ
–


1

3

4

5

7

p
0
V
c
V
h
V
a
Ð
CT

Ð
CD

P

p
k
p
max

V – thể tích của môi chất trong xylanh.
p
0
– áp suất khí trời (P
0
= 0,1 MN/m
2
).
p
k
– áp suất trên đường ống nạp (áp suất môi chất sau khi qua bơm quét khí).
Như chúng ta đã phân tích, các quá trình nạp và thải trên động cơ hai kỳ không riêng biệt và
độc lập như động cơ bốn kỳ mà chúng có mối quan hệ lẫn vào nhau. Cửa nạp và cửa thải (hay supap
nạp) không đóng mở đúng tại vò trí các điểm chết để thực hiện quá trình quét khí nhằm nâng cao hiện
quả của quá trình nạp thải từ đó nâng cao được công suất của động cơ.
Theo đồ thò trên hình 2.10, ta có:
Cửa quét:

Mở tại vò trí 8.

Đóng tại vò trí 2.
Supap thải (đối với động cơ hai kỳ quét thẳng qua supap thải) hoặc cửa thải:

Mở tại vò trí 7.

Đóng tại vò trí 3.
Như vậy, trong một chu trình công tác có một khoảng thời gian cả cửa quét và cửa thải cùng
mở, giai đoạn này trong xylanh thực hiện quá trình quét khí, tương ứng trên đồ thò là đoạn 8 – 1 – 2.
Chương 2 – Nguyên lý làm việc của động cơ đốt trong


04 – vò trí đóng cửa thải (supap thải).
05 – vò trí bật tia lửa điện (động cơ xăng) hoặc
phun nhiên liệu (động cơ Diesel).
1

2 – toàn bộ góc mở của cửa quét.
3

4 – toàn bộ góc mở của cửa thải (supap thải).
III.3. Các hệ thống quét thải của động cơ hai kỳ
Trên động cơ hai kỳ có sự khác biệt cơ bản so với động cơ bốn kỳ là không có quá trình nạp
và thải riêng, hai quá trình này được thực hiện cùng một lúc ở lân cận vò trí điểm chết dưới. Do thời
gian thay đổi môi chất của động cơ hai kỳ rất ngắn (khoảng bằng
3
1
thời gian thải và nạp của động
cơ bốn kỳ), nên phải dùng môi chất mới đã được nén trước đưa vào xylanh động cơ tạo áp lực đẩy sản
vật cháy ra ngoài tạo nên tác dụng quét khí thải ra khỏi xylanh. Chính điều này đã tạo nên sự thất
thoát môi chất qua cửa thải ảnh hưởng đến công suất, hiệu suất và làm ô nhiễm môi trường.
Qua trên ta thấy, tác dụng quét khí của động cơ hai kỳ quyết đònh bởi hệ thống quét thải của
động cơ gây ảnh hưởng lớn đến tính năng hoạt động của động cơ. Để khắc phục phần nào những tồn
tại của động cơ hai kỳ, trong quá trình phát triển đã có nhiều hệ thống quét thải khác nhau, nhưng các
hệ thống được sử dụng nhiều nhất hiện nay bao gồm có:
III.3.1. Hệ thống quét vòng
Trong hệ thống quét vòng, dòng khí quét đi theo đường vòng, ban đầu từ khu vực ĐCD men
theo thành xylanh đi lên phía ĐCT tới nắp xylanh, đổi chiều 180
o
rồi đi ngược lại chiều ban đầu. Các
cửa quét và cửa thải của hệ thống quét vòng đều đặt phía bên dưới của xylanh, tại khu vực lân cận
ĐCD và do piston điều khiển quá trình đóng, mở. Hệ thống quét vòng có các loại sau:


a)

b)

c)

d)

Đây là loại tương đối hoàn hảo của hệ thống quét vòng (hệ số khí sót nhỏ:

r
= 0,06

0,08), sử
dụng nhiều trên động cơ hai kỳ tăng áp của Thụy Só, công suất tới 13.700 kW (hình 2.8b).
c) Hệ thống quét vòng đặt nằm ngang, phức tạp
Trong kiểu hệ thống này có hai hàng cửa quét, hàng trên đặt cao hơn cửa thải và được lắp van
một chiều, sau khi đóng kín cửa thải vẫn có thể nạp thêm môi chất mới nhờ vào hàng cửa quét phía
trên. Do có nhiều van tự động nên hệ thống tương đối phức tạp, chiều cao của cửa quét và thải tương
đối lớn nên làm tăng tổn thất hành trình piston. Chính ví vậy, động cơ dùng hệ thống quét vòng kiểu
phức tạp có công suất không lớn lắm, khoảng 3.000 – 4.400 kW. (hình 2.8c)
d)Hệ thống quét vòng đặt một bên
Các cửa được đặt về một bên của thành xylanh theo hướng lệch tâm, cửa quét hơi nghiêng
xuống khoảng 15
o
. Ban đầu khí quét lướt qua đỉnh piston sau đó đi vòng và lướt dọc theo thành
xylanh rồi trở về cửa xả.
Trong hệ thống này đôi khi còn đặt van xoay để đóng cửa xả sau khi kết thúc quá trình quét
khí, nhằm làm giảm tổn thất khí quét và thực hiện nạp thêm môi chất vào xylanh. (hình 2.8d)

a)

– Hệ thống quét thẳng qua supap thải.
b)

– Hệ thống quét thẳng qua cửa thải.

a)

b)

1
)

1)

1
)

3)

3
)

2)

4)

III.3.2. Hệ thống quét thẳng
Trong hệ thống quét thẳng, dòng khí quét theo đường thẳng đi từ dưới lên, vì vậy hành trình

= 0,03

0,06), và được sử dụng rộng rãi cho động cơ thấp tốc, cao tốc và tốc độ trung bình.

Chương 2 – Nguyên lý làm việc của động cơ đốt trong

25
IV. HP LỰC VÀ MOMENT TÁC DỤNG LÊN CƠ CẤU PISTON – TRỤC KHUỶU – THANH
TRUYỀN
Trong quá trình làm việc cơ cấu piston – trục khuỷu – thanh truyền chòu các lực sau:

Lực quán tính của các chi tiết có khối lượng: chuyển động tònh tiến (P
J
) và chuyển
động quay (P

ta có : p
1
=p
kt
+ p
J P
J
j
P
1
1
F
P
p
F
P
p



Phân p
1
thành 2 thành phần lực :
p

tt
.sin(





) = p
1
.




cos
)sin(

(M
N/m
2
)

p
kt

O





k
Chương 2 – Nguyên lý làm việc của động cơ đốt trong

26
Z = p
tt
.cos(





) = p
1
.




cos
)cos(

Lực quán tính P
k
của khối lượng chuyển động quay là lực ly tâm, có trò số không đổi:
P
k
= m
r
.R.


) = p
1
.tg

.(l.cos

+ R.cos

) =




cos
)sin(
.p
1

Trong đó: A – khoảng cách từ lực N đến tâm trục khuỷu.
Trò số của momen ngược chiều vừa bằng trò số của momen quay trục khuỷu nhưng trái chiều.
Momen ngược chiều này tác dụng lên thân máy và do thân máy chòu đựng.
Trong quá trình động cơ làm việc, momen quay trục khuỷu M làm quay trục khuỷu và đưa
công suất ra ngoài.
V. SO SÁNH SỰ KHÁC NHAU CỦA ĐỘNG CƠ HAI KỲ VÀ ĐỘNG CƠ BỐN KỲ
Nếu so sánh động cơ hai kỳ và động cơ bốn kỳ có cùng đường kính xylanh (D), cùng tốc độ
động cơ (n) thì về mặt lý thuyết công suất động cơ hai kỳ có thể gấp hai lần động cơ bốn kỳ. Nhưng
trên thực tế chỉ lớn hơn 1,6

1,8 lần do có tổn thất trong quá trình thay đổi mối chất và một lượng

Tỉ số nén của động cơ Diesel lớn, vật liệu và công nghệ chế tạo hệ thông nhiên liệu trên động
cơ Diesel (bơm cao áp) đòi hỏi cao hơn, do đó động cơ Diesel đắt tiền hơn động cơ xăng.
Tốc độ động cơ Diesel nhỏ hơn động cơ xăng.
VII. GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ WANKEL VÀ ĐỘNG CƠ TUABIN
VII.1. Động cơ wankel
Động cơ Wankel được phát triển bởi một nhà phát minh người Đức tên là Felix Wankel, vào
năm 1920 động cơ còn trong giai đoạn thiết kế trên bản vẽ và tạo mẫu. Phát minh đầu tiên của Ông
về động cơ Wankel được công nhận vào năm 1936. Đến năm 1950, khi Ông cộng tác với nhà máy
sản suất ô tô của Đức NSU thì động cơ này được phát triển hoàn chỉnh và được lắp trên xe môtô.
Trong quá trình làm việc piston của động cơ chuyển động quay, các đỉnh của nó quét quanh
thành của xylanh có dạng đường cong (hình 2.10).
THÌ ĐỘNG CƠ DIESEL ĐỘNG CƠ XĂNG
Nạp - Hút không khí vào xylanh - Hút hoà khí vào xylanh
Nén
- Nén không khí
- P
c
= (30 ÷ 35) kG/cm
2
, t
c
= (500

600)
0
C
- Cuối quá trình nén nhiên liệu được phun
sớm vào xylanh.
- Nén hoà khí
- P


4
5
6
Hình 2.10. Động cơ Wankel.
1 – đường nạp.
2 – piston.
3 – thân máy.
4 – bougie.
5 – bánh răng trung tâm.
6 – đường thải.
Động cơ Wankel có piston hình tam giác 2 chuyển động hành tinh quanh bánh răng trung gian
5. Mỗi mặt cạnh của rôto tương đương với một piston của động cơ một xylanh. Các đỉnh của rôto luôn
luôn tiếp xúc với thành xylanh có dạng đường cong như (hình 2.10). Động cơ Wankel truyền công
suất ra ngoài bằng một trục có bánh lệch tâm lắp trong lòng của rôto tam giác.
Khi piston quay một vòng, mỗi cạnh của piston đều thực hiện các quá trình: nạp môi chất mới,
nén, cháy giãn nở sinh công và thải sản vật cháy ra ngoài. Có nghóa là khi piston quay một vòng thì
động cơ thực hiện 3 lần sinh công.

Turbines – các cánh tuabin.
Output Shaft – trục công suất ra.
Exhaust – khí thải.