Bộ môn CNCK Ô tô - Khoa Cơ khí - Trường CĐCN CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1. KHÁI NIỆM VỀ ĐỘNG CƠ NHIỆT Động cơ nhiệt nói chung là những máy biến đổi nhiệt thành công. Động cơ đốt trong là một loại động cơ nhiệt, trong đó quá trình đốt cháy nhiên liệu để cấp nhiệt và quá trình cháy giãn nở sinh công của môi chất công tác (sản vật cháy) đều được thực hiện ngay trong buồng công tác của động cơ. Nói chung, có thể phân loại động cơ đốt trong thuộc hệ thống động cơ nhiệt theo sơ đồ dưới đây. ĐỘNG CƠ NHIỆT MÁY HƠI NƯỚC TUABIN KHÍ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ĐỘNG CƠ PHẢN LỰC ĐỘNG CƠ XĂNG ĐỘNG CƠ DIESEL ĐỘNG CƠ GA DÙNG KHÍ ĐỐT CÁC ĐỘNG CƠ NHIỆT KHÁC Hình 1.1. Phân loại động cơ nhiệt Động cơ đốt trong là động cơ nhiệt 1.2. ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.2.1. Ưu điểm - Hiệu suất có ích cao e động cơ diesel tăng áp tuabin khí hiện đại đạt tới e = 0,4 ÷ 0,52, trong khi đó hiệu suất có ích của máy hơi nước e = 0,09 ÷ 0,14, của tuabin hơi nước e= 0,22 ÷ 0,28, và của tuabin khí e không quá 0,3. - Kích thước nhỏ gọn, khối lượng nhẹ vì toàn bộ chu trình của động cơ đốt trong được thực hiện trong một thiết bị duy nhất. Động cơ piston hiện đại đạt khối lượng trên 1kW là: 0,25 ÷ 23(kg/kW) và công suất có ích là: 1,2 ÷ 38 (kW/1kg) - Khởi động nhanh: bất kỳ động cơ đốt trong nào trong mọi điều kiện chỉ cần từ vài giây đến vài phút là có thể cho máy nổ và chuyển đến toàn tải. Động cơ diesel lớn nhất, từ khởi động rồi chuyển đến toàn tải chỉ cần 30 ÷ 40 phút. Trong khi đó máy hơi nước và tuabin hơi muốn chuyển từ khởi động đến toàn tải phải mất mấy ngày. - Hao ít nước: động cơ đốt trong có thể không cần nước hoặc tiêu hao rất ít nước, trong khi đó trang bị động cơ hơi nước phải cần tiêu thụ một lượng nước lớn kể cả trường hợp thu hồi nước ngưng tụ. - Bảo dưỡng đơn giản và thuận tiện hơn hẳn so với trang bị động cơ hơi nước, động cơ đốt trong chỉ cần một người chăm sóc và bảo dưỡng. 1.2.2. Nhược điểm - Trong xi lanh không thể đốt nhiên liệu rắn, và nhiên liệu kém phẩm chất. động cơ đốt trong chủ yếu dùng nhiên liệu lỏng hoặc khí sạch không chứa các thành phần ăn mòn kim loại cũng như tạp chất cơ học. - Công suất thiết bị bị giới hạn, về mặt này trang bị tuabin hơi nước có nhiều ưu việt hơn với động cơ đốt trong. Bài giảng: Nguyên lý động cơ đốt trong ThS. Nguyễn Lê Châu Thành, KS. Phùng Minh Tùng 1 Bộ môn CNCK Ô tô - Khoa Cơ khí - Trường CĐCN - Trên thiết bị vận tải đường bộ, không thể nối trực tiếp trục động cơ với trục của máy công tác do hạn chế về đặc tính của động cơ đốt trong. Do đó, trên hệ thống truyền động phải có bộ ly hợp và hộp số để thay đổi mômen của trục thụ động trong một phạm vi rộng. - Động cơ hoạt động khá ồn, nhất là động cơ cao tốc, người ta phải dùng các bộ tiêu âm trên đường thải và đường nạp để hạn chế bớt nhược điểm này. Nhưng bình tiêu âm sẽ gây ảnh hưởng xấu tới ưu điểm của động cơ như hiệu suất, và khối lượng động cơ quy về 1kW… 1.2.3. So sánh động cơ đốt trong với động cơ đốt ngoài Động cơ đốt trong - Có hiệu suất nhiệt cao: e cao = 30 - 52 % Động cơ đốt ngoài ηe thấp <= 15% máy tua bin e <= 25 % tua bin hơi nước - Nhiệt độ lớn nhất tmax ≤ 7000C tồn tại trong chu trình công tác của động cơ vật liệu chế tạo động cơ không chịu được nhiệt độ cao, cho nên tổn thất nhiệt cho việc giải nhiệt động cơ cao hơn. - Nhiệt độ lớn nhất tmax = 25300C (tuy nhiên chỉ tồn tại suốt trong một khoảng thời gian rất nhỏ. Vì so với toàn bộ chu trình công tác của động cơ) và tiêu hao nhiệt cho hệ thống làm mát ít hơn. - Nếu so sánh cùng công suất Ne thì: + Nặng nề cồng kềnh hơn vì có các thiết + Gọn nhẹ hơn không có thiết bị phụ như bị phụ: lò hơi, bộ ngưng tụ. nồi hơi, bộ ngưng tụ... + Phải cần thời gian đốt lò hơi trước khi khởi động, thời gian khởi động hàng giờ. - Tốn nhiều nước, vì vậy rất hạn chế khi + Dễ khởi động, chỉ cần từ 3-5 giây. sử dụng ở những nơi thiếu nước. - Dùng ít nước thậm chí không cần nước - Dùng loại nhiên liệu rẻ tiền, nhiên liệu thể rắn hoặc thể đặc. như động cơ làm mát bằng gió. - Dùng nhiên liệu đắt tiền hơn như xăng, - Động cơ tự khởi động được khi áp lực hơi nước đủ lớn. dầu diesel hoặc nhiên liệu ở thể khí. - Động cơ không tự khởi động được. 1.3. PHÂN LOẠI ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG Ở đây chúng ta chỉ xét đến động cơ đốt trong kiểu piston. Động cơ đốt trong kiểu piston có rất nhiều loại. Căn cứ vào một số đặc điểm cơ bản người ta phân loại để dễ nhận biết trong quá trình sử dụng và bảo hành sửa chữa. Sau đây là cách phân loại thường dùng nhất: Căn cứ vào chu trình công tác của động cơ - Động cơ 4 kỳ (4 thì) Bài giảng: Nguyên lý động cơ đốt trong ThS. Nguyễn Lê Châu Thành, KS. Phùng Minh Tùng 2 Bộ môn CNCK Ô tô - Khoa Cơ khí - Trường CĐCN Hình 1.2. Sơ đồ làm việc của động cơ xăng 4 kỳ 1. Xu páp nạp; 2. Bugi; 3. Xupáp thải - Động cơ 2 kỳ (2 thì) Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý, cấu tạo động cơ xăng hai kỳ. 1. Nến điện; 2. Piston; 3. Cửa xả; 4. Bộ chế hòa khí; 5. Cửa hút; 6. Cacte; 7. Cửa đường thông; 8. Thể tích toàn phần; 9. ống xả;10. Thân máy Căn cứ vào loại nhiên liệu sử dụng - Động cơ xăng. - Động cơ diesel. - Động cơ khí ga hóa lỏng. - Động cơ ga - diesel (xăng - ga). Căn cứ theo phương pháp tạo thành hỗn hợp cháy - Động cơ tạo hỗn hợp cháy ở bên ngoài trước khi đưa vào xi lanh (dùng bộ chế hòa khí, hoặc phun xăng điện tử gián tiếp) - Động cơ tạo hỗn hợp khí cháy ở bên trong xi lanh (động cơ diesel, phun xăng điện tử trực tiếp.) Căn cứ vào cách đốt cháy hỗn hợp - Động cơ hòa khí tự bốc cháy: dùng nhiên liệu diesel. - Động cơ hòa khí cháy cưỡng bức; dùng nhiên liệu xăng, hoặc khí ga. Căn cứ vào tỷ số nén - Động cơ có tỷ số nén thấp:   6 - Động cơ tỷ số nén trung bình:  = 6 - 12 Bài giảng: Nguyên lý động cơ đốt trong ThS. Nguyễn Lê Châu Thành, KS. Phùng Minh Tùng 3 Bộ môn CNCK Ô tô - Khoa Cơ khí - Trường CĐCN - Động cơ có tỷ số nén cao:  = 12 - 30 Căn cứ vào số xi lanh Động cơ 1 xi lanh, 2 xi lanh, 3 xi lanh, 4 xi lanh, 6 xi lanh, 8 xi lanh... Căn cứ vào cách bố trí xi lanh của động cơ - Động cơ xi lanh bố trí 1 hàng dọc. - Động cơ xi lanh bố trí hình chữ V, hình chữ X, hình chữ W, hình sao... Căn cứ vào tốc độ trung bình của piston - Đông cơ tốc độ thấp: Cm  65 m/s. - Đông cơ tốc độ cao: Cm  65 m/s. Căn cứ vào phương pháp đưa khí nạp vào xi lanh - Động cơ không tăng áp: (việc nạp hỗn hợp hoặc không khí vào xi lanh là do piston trực tiếp gây sức hút. - Động cơ tăng áp: Khí nạp được đưa vào trong xi lanh dưới áp lực của máy nén khí. Căn cứ vào kiểu làm mát - Động cơ làm mát bằng chất lỏng. - Động cơ làm mát bằng không khí. Cách bố trí xu páp và truyền động xu páp Có vài sự khác nhau trong cách bố trí các xu páp làm ảnh hưởng đến sự phân loại động cơ bao gồm: - Vị trí của trục cam (được đặt trong Blốc xi lanh hoặc trên nắp máy…) - Trục cam được dẫn động như thế nào: được truyền động bởi các bánh răng, dây đai răng, xích hoặc các đĩa răng. - Cách truyền động xu páp: hầu hết động cơ ôtô thường dùng loại trục cam trên nắp máy và trục cam trong Bloc xi lanh hoặc xu páp treo. - Số van trên mỗi xi lanh: một số động cơ trên mỗi xi lanh có nhiều hơn 2 xu páp, có 3, 4 xu páp. Với mục đích nạp và thoát khí nhanh hơn. 1.4. CẤU TẠO CHUNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG KIỂU PISTON Sơ đồ cấu tạo động cơ đốt trong kiểu piston một xi lanh được trình bày trên, hình 1.4. Động cơ đốt trong bao gồm các cơ cấu và hệ thống chủ yếu sau: - Cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền. - Cơ cấu phân phối khí. - Hệ thống cung cấp nhiên liệu. - Hệ thống bôi trơn. - Hệ thống làm mát. Hình 1.4. Sơ đồ cấu tạo động cơ đốt trong kiểu piston Bài giảng: Nguyên lý động cơ đốt trong ThS. Nguyễn Lê Châu Thành, KS. Phùng Minh Tùng 4 Bộ môn CNCK Ô tô - Khoa Cơ khí - Trường CĐCN một xi lanh 1.5. ĐỊNH NGHĨA CÁC DANH TỪ KỸ THUẬT 1.5.1. Kỳ (thì) Là một phần của chu trình công tác mà ứng với thời gian đó piston chuyển động từ điểm chết này đến điểm chết kia. 1.5.2. Chu kỳ công tác Là các quá trình liên tiếp nhau để biến đổi nhiệt năng thành cơ năng (bao gồm các quá trình hút, nén, nổ, xả). 1.5.3. Điểm chết Là vị trí tột cùng của piston ở trong xi lanh mà tại đó piston sẽ thay đổi chuyển động theo hướng ngược lại. - Điểm chết trên (viết tắt là ĐCT): Là vị trí trên tột cùng piston trong xi lanh. - Điểm chết dưới (viết tắt là ĐCD): Là vị trí dưới tột cùng của piston trong xi lanh. Hình 1.1. Hành trình của piston 1.5.4. Hành trình của piston (S) Là khoảng cách giữa ĐCT và ĐCD và bằng hai lần bán kính quay của trục khuỷu: S = 2R (R- Bán kính quay trục khuỷu) 1.5.5. Dung tích làm việc của xi lanh (Vh) Là khoảng không gian giới hạn từ ĐCT đến ĐCD. Dung tích làm việc của động cơ được tính theo công thức: .D 2 Vh  S (m3) 4 Trong đó: D - là đường kính xi lanh (m) S - là hành trình piston (m) 1.5.6. Dung tích buồng cháy (Vc) Là dung tích khoảng không gian giữa nắp máy và đỉnh piston ở ĐCT. Bài giảng: Nguyên lý động cơ đốt trong ThS. Nguyễn Lê Châu Thành, KS. Phùng Minh Tùng 5 Bộ môn CNCK Ô tô - Khoa Cơ khí - Trường CĐCN 1.5.7. Dung tích toàn phần của xi lanh (Va) Là tổng dung tích làm việc và dung tích buồng cháy của xi lanh. Va = Vh + Vc. 1.5.8. Tỷ số nén của động cơ () Là tỷ số giữa dung tích toàn phần và dung tích buồng cháy. V V  Vc V  a  h  1 h Vc Vc Vc 1.5.9. Số kỳ của động cơ Là hành trình của piston trong một chu trình công tác của động cơ. CÂU HỎI CHƯƠNG 1 - Nêu khái niệm về động cơ đốt trong? Nêu ưu, nhược điểm của động cơ đốt trong? - Hãy phân loại động cơ theo các căn cứ khác nhau? - Nêu định nghĩa và viết công thức (nếu có) các danh từ kỹ thuật cơ bản của động cơ đốt trong? - Cho động cơ một xi lanh có đường kính xi lanh D = 100 mm, hành trình công tác S = 90 mm; thể tích buồng cháy Vc= 40 cm3 hãy xác định a) Vẽ sơ đồ động cơ đốt trong b) Thể tích công tác Vh và thể tích lớn nhất Va c) Tỷ số nén của động cơ Bài giảng: Nguyên lý động cơ đốt trong ThS. Nguyễn Lê Châu Thành, KS. Phùng Minh Tùng 6