Bài 18: Nguyên lí làm việc của động cơ đốt trong SVIP

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): vị trí đỉnh pít tông xa tâm trục khuỷu nhất.

+ ĐCD (điểm chết dưới): vị trí đỉnh pít gần tâm trục khuỷu nhất.

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 (V_c)

- 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 (V_s)

- 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 (V_a)

- Thể tích toàn phần là không gian giới hạn bởi nắp máy, xi lanh và đỉnh pít tông khi pít tông ở ĐCD.

- Công thức:

V_a = V_c + V_s

6. Thể tích công tác của động cơ (V_h)

- Thể tích làm việc của động cơ được xác định bằng cách cộng thể tích làm việc của từng xi lanh trong trường hợp động cơ có nhiều xi lanh.

- Thể tích của động cơ (V_h) được tính bằng tích của thể tích công tác của một xi lanh (Vs) và số xi lanh (i):

V_h = V_s 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 làm việc của động cơ là sự kết hợp tuần tự của các giai đoạn như hút, nén, cháy - giãn nở và thải, nhằm chuyển đổi năng lượng từ nhiên liệu thành động năng.

9. Kì

- Kì là một giai đoạn trong chu trình công tác, khi pít tông di chuyển hết một hành trình S.

- Động cơ 4 kì hoàn thành chu trình công tác trong 4 hành trình pít tông (2 vòng quay trục khuỷu).

- Động cơ 2 kì thực hiện chu trình công tác trong 2 hành trình pít tông (1 vòng quay 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 \(\frac12\) 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 \(\frac12\) 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.

- Gần cuối kì nén, khi pít-tông sắp tới ĐCT, bugi đánh lửa, đốt cháy hỗn hợp khí - tạo điều kiện cho kì nổ.

c. Kì nổ (quá trình cháy và giãn nở sinh công)

- Xu páp nạp và xu páp thải đóng.

- Hòa khí cháy giãn nở, áp suất và nhiệt độ trong xi lanh tăng.

- Lực giãn nở đẩy pít tông từ ĐCT xuống ĐCD.

- Thông qua thanh truyền, trục khuỷu quay tiếp \(\frac12\) 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 \(\frac12\) 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.

2. Nguyên lí làm việc của động cơ Diesel 4 kì

- Động cơ Diesel 4 kì hoạt động tương tự động cơ xăng 4 kì.

- 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 tới ĐCT, nhiên liệu được phun vào với áp suất cao.

- Hỗn hợp khí - nhiên liệu tự bốc cháy khi đạt áp suất và nhiệt độ cần thiết, không cần bugi.

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

- Ở kì đầu, hỗn hợp khí cháy giãn nở mạnh trong xi lanh, tạo áp suất lớn đẩy pít tông từ ĐCT xuống ĐCD qua thanh truyền.

- Khi cửa thải mở, khí cháy thoát ra ngoài.

- 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 gồm:

+ Cháy giãn nở.

+ Thải tự do.

+ Quét khí và nạp hoà khí mới vào xi lanh.

b. Kì thứ hai

- Trong kì hai, quá trình quét và nạp tiếp tục đến khi pít-tông đóng cửa quét.

- Tiếp theo là giai đoạn lọt khí (môi chất trong xi lanh được đẩy qua cửa thải ra ngoài).

- Khi pít tông tiếp tục đi lên và đóng cửa xả, giai đoạn nén bắt đầu, đến cuối kì bugi đánh lửa, hỗn hợp 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:

+ 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 hoạt động của động cơ Diesel hai kì giống với động cơ xăng hai kì, nhưng có một số điểm khác biệt: 

- Khí nạp vào động cơ là không khí và trước khi vào động cơ, khí nạp được đi qua máy nén hoặc tua bin. 

- Ở cuối quá trình nén, nhiên liệu diesel được phun vào, hòa trộn với không khí nóng trong xi lanh và tự cháy nhờ áp suất và nhiệt độ cao.

III. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

1. Công suất có ích

- Công suất có ích N_e (kW) của động cơ được đo ở đầu ra của trục khuỷu và có thể tính toán bằng công thức:

\(N_e=L_e\times\dfrac{i\times n}{30\times\tau}\)

- Trong đó:

+ i: số xi lanh.

+ \(\tau\): số kì.

+ L_e (J): công có ích của chu trình

+ n (vòng/phút): số quay của động cơ.

+ N_e: giá trị từ vài kW đến hàng vạn kW.

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: \(\eta_e=\dfrac{N_e}{Q_{ct}}\).

- Trong đó:

+ Qct (kJ/s): nhiên liệu cung cấp cho động cơ.

+ \(\eta_{e}^{}\) thay đổi 15 ÷ 50%.

3. Mô men có ích

- Mô men có ích M_e (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 g_e (g/kW.h) là lượng nhiên liệu mà động cơ sử dụng để tạo ra 1 kW công suất trong 1 giờ.

- Để tính g_e sử dụng công thức: 

\(g_e=\dfrac{G_{nl}}{N_e}\)