Bài 18: Nguyên lí làm việc của động cơ đốt trong
Nội dung lý thuyết
I. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN
1. Điểm chết
Điểm chết là vị trí của pít tông khi đổi chiều chuyển động và gồm hai điểm chết:
- ĐCT (điểm chết trên).
- ĐCD (điểm chết dưới).
2. Hành trình của pít tông (S)
Hành trình của pít tông là quãng đường di chuyển giữa hai điểm chết và tính theo công thức:
S = 2R (R là bán kính quay của trục khuỷu)
3. Thể tích buồng cháy (Vc)
Thể tích buồng cháy là không gian giới hạn bởi nắp máy, xi lanh và đỉnh pít tông khi pít tông ở ĐCT.
4. Thể tích công tác của xi lanh (Vs)
Thể tích công tác của xi lanh là không gian giới hạn bởi hai điểm chết và được tính bằng biểu thức phụ thuộc vào đường kính của xi lanh.
\(V_s=\dfrac{\pi\times D^2}{4}\times S\)
5. Thể tích toàn phần (Va)
- Thể tích toàn phần là không gian giới hạn bởi nắp máy, xi lanh và đỉnh pít tông khi pít tông ở ĐCD.
- Khi đó thể tích toàn phần (Va) được tính theo biểu thức:
Va = Vc + Vs
6. Thể tích công tác của động cơ (Vh)
- Thể tích công tác của động cơ là tổng thể tích công tác của các xi lanh trong động cơ nhiều xi lanh.
- Thể tích của động cơ (Vh) được tính bằng tích của thể tích công tác của một xi lanh (Vs) và số xi lanh (i):
Vh = Vs x i
7. Tỉ số nén của động cơ (\(\varepsilon\))
Tỉ số nén của động cơ là tỉ số giữa thể tích toàn phần và thể tích buồng cháy.
\(\varepsilon=\dfrac{V_a}{V_c}\)
8. Chu trình công tác
Chu trình công tác là tổng hợp các quá trình (nạp, nén, nổ, xả) diễn ra liên tiếp để động cơ thực hiện biến đổi hoá năng thành cơ năng.
9. Kì
- Kì là một phần của chu trình công tác của động cơ đốt trong khi pít tông thực hiện một hành trình S.
- Động cơ 4 kì là động cơ có chu trình công tác được diễn ra trong 4 hành trình của pít tông (hai vòng quay của trục khuỷu).
- Động cơ 2 kì là động cơ có chu trình công tác diễn ra trong hai hành trình của pít tông (một vòng quay của trục khuỷu).
II. NGUYÊN LÍ LÀM VIỆC
1. Nguyên lí làm việc của động cơ xăng 4 kì
a. Kì nạp (quá trình nạp)
- Pit tông dịch chuyển từ ĐCT đến ĐCD.
- Trục khuỷu quay 1/2 vòng (từ 0° đến 180°).
- Xu páp nạp mở, xu páp thải đóng.
- Áp suất trong xi lanh giảm.
- Hoà khí (xăng và không khí) được hút vào xi lanh.
b. Kì nén (quá trình nén)
- Pit tông di chuyển từ ĐCD đến ĐCT.
- Trục khuỷu quay 1/2 vòng tiếp theo (từ 180° đến 360°).
- Xu páp nạp và xu páp thải đều đóng, hoà khí trong xi lanh bị nén lại, áp suất và nhiệt độ tăng lên.
- Bu gi của hệ thống đánh lửa phóng tia lửa điện đốt cháy hoà khí trong xi lanh vào cuối kì nén khi pít tông gần đến ĐCT.
c. Kì nổ (quá trình cháy và giãn nở sinh công)
- Xu páp nạp và xu páp thải đóng.
- Hoà khí cháy giãn nở làm tăng nhiệt độ và áp suất trong xi lanh.
- Tác dụng lên đỉnh pít tông và đẩy pít tông từ ĐCT đến ĐCD.
- Qua một thanh truyền làm trục khuỷu quay tiếp 1/2 vòng (từ 360° đến 540°)
- Sinh công cơ học.
d. Kì thải (quá trình thải)
- Pít tông di chuyển từ ĐCD đến ĐCT.
- Trục khuỷu quay tiếp 1/2 vòng (từ 540° đến 720°).
- Xu páp nạp đóng và xu páp thải mở, khí thải trong xi lanh được đẩy ra ngoài qua cửa thải và đường ống thải.
- Khi pít tông đến ĐCT, xu páp thải đóng và xu páp nạp mở.
- Chu trình mới bắt đầu với kì nạp trong xi lanh.
2. Nguyên lí làm việc của động cơ Diesel 4 kì
- Động cơ Diesel 4 kì có nguyên lí làm việc tương tự động cơ xăng 4 kì.
- Trong một chu trình làm việc, pít tông thực hiện bốn hành trình: nạp, nén, nổ và thải.
- Ở kì nạp, chỉ có không khí được nạp vào xi lanh.
- Cuối kì nén, khi pít tông gần đến ĐCT, nhiên liệu được phun vào xi lanh với áp suất cao để tạo hỗn hợp.
- Hỗn hợp này tự cháy mà không cần tia lửa điện khi đạt đến nhiệt độ và áp suất nhất định.
3. Nguyên lí làm việc của động cơ xăng 2 kì
- Sơ đồ cấu tạo của động cơ xăng 2 kì sử dụng 3 cửa khí: nạp, quét, thải.
- Pít tông có nhiệm vụ đóng mở các cửa khí và van trượt.
- Mỗi chu trình làm việc của động cơ xăng 2 kì bao gồm hai kì.
- Nhiên liệu được pha thêm dầu bôi trơn để bám dính vào các bề mặt chi tiết cần bôi trơn.
a. Kì thứ nhất
- Trong kì thứ nhất, hoà khí được đốt cháy và giãn nở trong xi lanh, tạo áp suất khí cháy cao đẩy pít tông dịch chuyển từ ĐCT đến ĐCD qua thanh truyền.
- Khi cửa thải mở, khí cháy được thải ra tự do.
- Trong quá trình tiếp theo:
+ Hoà khí mới được nạp vào xi lanh thông qua cửa quét.
+ Khí đã cháy được quét ra cửa thải.
- Hành trình thứ nhất bao gồm các quá trình:
+ Cháy giãn nở.
+ Thải tự do.
+ Quét khí và nạp hoà khí mới vào xi lanh.
b. Kì thứ hai
- Trong kì thứ hai của động cơ, quá trình quét khí và nạp hoà khí mới vào xi lanh tiếp tục cho đến khi pít tông đóng cửa quét.
- Sau đó, giai đoạn lọt khí bắt đầu (môi chất trong xi lanh được đẩy qua cửa thải ra ngoài).
- Quá trình nén bắt đầu khi pít tông đóng cửa thải cho tới khi bu gi bật tia lửa điện, sau đó sẽ xảy ra quá trình cháy.
- Khi pít tông đi lên để nén hoà khí trong xi lanh, cửa nạp phía dưới pít tông mở để hoà khí mới được hút vào các te.
- Hành trình thứ 2 gồm các quá trình:
+ Quét khí và nạp khí mới vào xi lanh.
+ Lọt khí.
+ Nén và cháy.
+ Nạp khí mới vào các te.
4. Nguyên lí làm việc của động cơ Diesel 2 kì
Chu trình làm việc của động cơ Diesel 2 kì tương tự như động cơ xăng 2 kì, nhưng khác ở một số điểm sau:
- Khí nạp vào động cơ là không khí và trước khi vào động cơ, khí nạp được đi qua máy nén hoặc tua bin.
- Cuối quá trình nén, nhiên liệu diesel được vòi phun vào xi lanh để hoà trộn với khí nóng, tạo thành hoà khí. Hoà khí này sẽ tự bốc cháy ở điều kiện áp suất và nhiệt độ trong xi lanh cao.
III. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
1. Công suất có ích
Công suất có ích Ne (kW) của động cơ được đo ở đầu ra của trục khuỷu và có thể tính toán bằng công thức:
\(N_e=L_e\times\dfrac{i\times n}{30\times\tau}\)
2. Hiệu suất có ích
- Hiệu suất có ích của động cơ được tính bằng tỉ số giữa nhiệt lượng chuyển thành công suất có ích và nhiệt lượng cấp cho động cơ.
- Công thức: \(\eta_e=\dfrac{N_e}{Q_{ct}}\).
3. Mô men có ích
Mô men có ích Me (Nm) là thông số đặc trưng cho khả năng chịu tải tức thời của động cơ đốt trong, được tính bằng công thức:
\(M_e=\dfrac{N_e\times9,55}{n}\)
4. Suất tiêu thụ nhiên liệu có ích
- Suất tiêu thụ nhiên liệu có ích ge (g/kW.h) là lượng nhiên liệu tiêu thụ để tạo ra một đơn vị công suất động cơ trong một đơn vị thời gian.
- Để tính ge sử dụng công thức:
\(g_e=\dfrac{G_{nl}}{N_e}\)