GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

CHƯƠNG I NGUYÊN LÝ CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 4

1.1 Động cơ là gì? 4

1.2 Động cơ đốt trong [Internal Combustion Engine (ICE)] 4

1.3 Building an Engine on Paper 4

1.4 What to Use for Fuel 4

1.5 Xăng 5

1.6 Chuẩn bị nhiên liệu 6

Phun sương xăng 6

1.7 Động lực cơ bản của Động cơ 7

1.8 Bẫy Nổ 7

1.9 Động cơ đơn giản 8

Cái gì sai với động cơ đơn giản? 8

1.10 Đặt tên các bộ phận 9

1.11 Siết Chặt các chi tiết 9

1.12 Kéo Dài Piston 9

1.13 Đưa nhiên liệu vào động cơ 10

1.14 Đầu xi-lanh rời 10

Đường dẫn nạp nhiên liệu và xả 11

1.15 Van 12

1.16 Áp suất chân không 13

1.17 Bạn Đã Có Máy Bơm Chân Không 14

1.18 Máy bơm chân không của bạn ở đâu? 14

CHƯƠNG I NGUYÊN LÝ CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.1 Động cơ là gì?

Một động cơ là một nhóm các bộ phận liên quan được lắp ráp theo một thứ tự cụ thể Khi hoạt động, nó được thiết kế để chuyển đổi năng lượng do đốt nhiên liệu thành dạng hữu ích

Động cơ hiện đại có nhiều bộ phận, mỗi bộ phận đều cần thiết cho hoạt động của động cơ Tuy nhiên, hiện tại, chúng ta có thể coi động cơ như một thiết bị cho phép đổ nhiên liệu vào một đầu và lấy năng lượng từ đầu kia, Hình 1-1

Hình 1 1 Động cơ chuyển hóa nhiên liệu thành công có ích

1.2 Động cơ đốt trong [Internal Combustion Engine (ICE)]

Động cơ đốt trong (ICE) là động cơ nhiệt biến đổi năng lượng nhiệt từ quá trình đốt cháy nhiên liệu bên trong buồng đốt thành năng lượng cơ học để tạo công suất và mô-men xoắn

1.3 Building an Engine on Paper

Một cách tuyệt vời để tìm hiểu về động cơ là xây dựng một động cơ trên giấy Hãy tưởng tượng rằng động cơ chưa được phát minh ra Bạn sẽ là người phát minh ra nó Bạn sẽ giải quyết từng bước một các vấn đề liên quan

1.4 What to Use for Fuel

Tiêu chí chọn nhiên liệu: Loại nhiên liệu đề xuất

- Dễ bắt lửa (cháy) - Cháy sạch

- Giá cả hợp lý và tạo đủ công suất - Có sẵn với số lượng lớn

- An toàn khi sử dụng và dễ vận chuyển

- Thuốc nổ - Đắt và cháy mạnh => làm nổ động cơ (Hình 1.2)

- Dầu hỏa - khó bắt lửa - cháy không sạch

 Chỉ có xăng: là nhiên liệu phù hợp vì xăng dễ bắt lửa, cháy sạch, có giá cả hợp lý và tạo đủ công suất

Hình 1 2 Thuốc nổ gây nổ, nên không được sử dụng như 1 loại nhiên liệu

1.5 Xăng

Xăng là nhiên liệu được sản xuất từ dầu thô (dầu mỏ) được khai thác từ các giếng khoan trên Trái Đất Quá trình sản xuất xăng bao gồm việc tinh chế dầu thô thông qua nhiều công đoạn xử lý khác nhau Xăng chỉ là một trong nhiều sản phẩm thu được từ dầu thô Xăng sử dụng trong động cơ đốt trong là một hỗn hợp phức tạp, bao gồm các nhiên liệu cơ bản và các phụ gia đặc biệt:

Về thành phần hóa học, xăng là hỗn hợp của các nguyên tử carbon và hydro, nên được gọi là hydrocacbon

Hình 1.3 Trước khi đến động cơ của bạn, dầu thô cần phải được tinh chế rất nhiều Xăng thường được phân loại thành 3 cấp độ chính:

- Xăng bình thường (regular): Có chỉ số octan thấp nhất, thường là 87 - Xăng plus hoặc extra: Có chỉ số octan ở mức trung bình, khoảng 89 - Xăng cao cấp (premium): Có chỉ số octan cao nhất, từ 92 đến 94

Số điểm octan là chỉ số đánh giá khả năng kháng nổ của xăng, nghĩa là khả năng chống cháy quá nhanh trong xi-lanh động cơ Xăng có số điểm octan cao hơn sẽ phù hợp hơn với các động cơ có tỷ số nén cao

Xăng không chì là loại xăng được sử dụng phổ biến hiện nay Xăng không chì không chứa tetraethyl chì, chất từng dùng để tăng chỉ số octane cho xăng Xe hơi đời mới phải sử dụng xăng không chì vì tetraethyl chì sẽ nhanh chóng phá hủy các bộ phận giúp giảm khí thải (bộ lọc xúc tác)

Xăng chất lượng cần đáp ứng nhiều yếu tố Xăng phải trải qua kiểm định khắc nghiệt trong phòng thí nghiệm và cả khi sử dụng thực tế Về cơ bản, xăng cần phải: cháy sạch, dễ cháy, không bị đóng băng hoặc sôi, chứa ít thành phần gây hại và chống kích nổ

Cảnh báo: Các bước sau đây, cho thấy cách xăng được chuẩn bị để sử dụng trong động cơ, chỉ nhằm mục đích minh họa và học sinh không nên thử nghiệm Xăng rất nguy hiểm Hãy cẩn thận và tôn trọng khi sử dụng nó

1.6 Chuẩn bị nhiên liệu

Như bạn đã biết, xăng cháy rất dễ dàng Tuy nhiên, để tận dụng được tối đa năng suất từ nhiên liệu này và thực tế, để nó có thể cung cấp năng lượng cho động cơ, cần phải có xử lý đặc biệt

Nếu bạn đổ một lượng nhỏ xăng vào lọ và thả một que diêm vào, nó sẽ cháy, Hình 1-5 Sự đốt cháy như vậy là tốt để tạo ra nhiệt, nhưng không mang lại cho chúng ta hiệu ứng cháy nổ cần thiết để vận hành động cơ Chúng ta phải tìm cách để xăng cháy đủ nhanh để tạo ra lực nổ?

Nếu bạn xem Hình 1-5, bạn sẽ thấy rằng xăng đang cháy ở mặt trên Tại sao nó không cháy dọc theo thành và đáy của bình chứa? Để cháy, xăng phải kết hợp với oxy trong không khí Thành và đáy của xăng trong lọ không tiếp xúc với không khí nên không cháy

Hình 1 4 Xăng là một hợp chất phức tạp của dầu thô tinh chế và các hóa chất khác cho phép tạo ra hiệu suất tối đa

Hình 1 5 Xăng đốt cháy Tuy nhiên, xăng sẽ không cháy nếu không có mặt của oxy

Phun sương xăng

Để minh họa, hãy tưởng tượng một hạt xăng có hình vuông, Hình 1-6A Nó sẽ cháy ở tất cả các mặt Tuy nhiên, nó vẫn không cháy đủ nhanh để sử dụng trong động cơ Để xăng cháy nhanh hơn, chúng ta có thể chia nhỏ nó thành các hạt nhỏ hơn Lưu ý rằng khi bạn chia nó thành các hạt nhỏ hơn, bạn sẽ tiếp xúc nhiều diện tích hơn với không khí, Hình 1-6B Nếu bạn đánh lửa ngay bây giờ, nó sẽ cháy nhanh hơn nhiều

Hình 1 6 Phân rã xăng thành các hạt nhỏ hơn làm tăng diện tích tiếp xúc với không khí, do đó làm tăng tốc độ cháy

1.7 Động lực cơ bản của Động cơ

Nếu bạn phân chia hạt xăng thành các hạt cực kỳ nhỏ, xăng sẽ cháy rất mãnh liệt, Hình 1-7 Sự cháy nhanh chóng sản sinh một lượng nhiệt khổng lồ, do đó gây ra sự giãn nở sự giãn nở đột ngột và mạnh Xăng cháy giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt Bây giờ bạn đã có nguồn năng lượng cơ bản để thực hiện công Bước tiếp theo là khai thác lực này và chuyển hóa năng lượng này thành công có ích

Hình 1 7 Khi các hạt xăng đủ nhỏ, chúng sẽ nổ tung

1.8 Bẫy Nổ

Nếu bạn phun hỗn hợp xăng và không khí vào một buồng kim loại vững chắc, đậy nắp lên trên thùng chứa, sau đó đốt cháy hỗn hợp, sự nổ tạo ra sẽ làm bật nắp bay lên không trung Xem Hình 1-8 Đây là một ví dụ về việc sử dụng xăng để thực hiện công Trong trường hợp này, công làm bật nắp bay lên không trung Rõ ràng, một chiếc nắp bay sẽ không đẩy được xe, nhưng chiếc nắp bay gợi ý về một cách để chuyển đổi năng lượng của nhiên liệu cháy thành chuyển động có ích

Hình 1.8 Nếu trộn hỗn hợp xăng không khí vào 1 buồng kín và đốt, hỗn hợp sẽ thổi bay nắp buồng

1.9 Động cơ đơn giản

Thực hiện lại thiết lập tương tự, nhưng lần này hãy dùng một thanh nối để móc nắp vào trục có hình dạng giống như hình minh họa 1-9 Chống đỡ hai đầu trục bằng ổ đỡ Sau đó, đặt một bánh xe lên một đầu của trục khuỷu, Hình 1-10 Bây giờ, khi hỗn hợp nổ và nắp bị thổi bay lên không trung, trục sẽ được đẩy mạnh lên trên, khiến bánh xe quay Bạn đã chế tạo được một động cơ rất đơn giản Mặc dù động cơ này không thực tế, nhưng nó đang chỉ ra hướng đi

Hình 1.9 Một buồng kín chứa không khí và nhiên liệu có thể gắn với trục để tạo ra một động cơ đơn giản

Hình 1 10 Đặt nắp bên trong buồng chứa sẽ tạo thành một động cơ đơn giản

Cái gì sai với động cơ đơn giản?

Nắp sẽ bay lên trong nổ Khi trục khuỷu quay, nắp sẽ bị ép xuống lại Nắp có thể xuống bất kỳ vị trí nào, nhưng nếu động cơ phải hoạt động, nó phải xuống trên buồng đốt Thay vì đặt nắp trên buồng đốt, cắt nó để nó chỉ trượt bên trong Làm cho buồng đốt dài hơn để nắp có thể đẩy trục khuỷu đến đỉnh của hành trình và vẫn không bay ra khỏi buồng đốt

Nếu bạn cố định buồng đốt và trục khuỷu để chúng không thay đổi vị trí, bạn sẽ có một động cơ làm quay trục khuỷu mỗi khi nổ hỗn hợp nhiên liệu

Để làm cho trục khuỷu quay theo hướng phù hợp, bạn phải nổ hỗn hợp với trục khuỷu ở vị trí tương tự như vị trí được hiển thị trong Hình 1-10A Nếu trục khuỷu ở vị trí được hiển thị trong Hình 1-10B, nắp không thể bay lên mà không đẩy trục đỡ lên hoặc buồng đốt xuống Nếu nó được nổ với trục khuỷu ở vị trí được hiển thị trong Hình 1-10C, trục khuỷu sẽ quay ngược lại

Hỗn hợp phải được kích nổ khi trục ở vị trí thích hợp Bằng cách nghiên cứu Hình 1-11, bạn có thể thấy rằng trục khuỷu biến đổi chuyển động tịnh tiến (lên xuống) của nắp thành chuyển động quay (vòng tròn)

Hình 1 11 Hình chiếu đứng và cạnh cho thấy động cơ đảo ngược, block được gia cố và hạ xuống và xung quanh trục khuỷu, tạo thành cacte

1.10 Đặt tên các bộ phận

Vào thời điểm này, các bộ phận mà bạn đã phát triển nên được đặt tên Bằng cách này, bạn sẽ học được cách gọi các bộ phận trong một động cơ xăng phục vụ cùng một mục đích chung

Buồng chứa sẽ được gọi là khối động cơ (block)

Lỗ trong buồng chứa, hay khối động cơ, sẽ được gọi là xi-lanh (cylinder) Nắp sẽ được gọi là piston (piston)

Trục, với một phần bẻ cong thành hình khuỷu tay, sẽ được gọi là trục khuỷu (crankshaft) Thanh nối trục khuỷu với piston sẽ được gọi là thanh truyền (connecting rod)

Các ổ đỡ đỡ trục khuỷu sẽ được gọi là ổ trục chính (main bearings) Thanh truyền có ổ đỡ trên và ổ đỡ dưới Ổ đỡ dưới (ở trên trục khuỷu) được gọi là bạc thanh truyền (connecting rod bearing)

Bánh xe sẽ được gọi là bánh đà (flywheel)

Hãy quay lại Hình 1-10 và xem bạn có thể thay thế các tên chính xác cho những cái được liệt kê

1.11 Siết Chặt các chi tiết

Siết chặt các chi tiết để cố định gối đỡ trục chính và xi-lanh, nên thiết kế tối ưu nhất là lật ngược động cơ và đặt xi-lanh lên trên

Làm cho lốc động cơ nặng để gia cường động cơ chịu được các thì nổ nhiên liệu Hạ thấp tâm lốc xuống để đỡ các ổ trục chính, Hình 1-11A Bằng cách đưa chân lốc ra ngoài và xuống xung quanh các ổ trục chính tạo thành một cụm mạnh mẽ Trong Hình 1-11B, phần cuối lốc phía dưới tạo thành khối hộp xung quanh trục khuỷu với hai ổ trục chính Phần dưới cùng lốc được gọi là cacte

1.12 Kéo Dài Piston

Thiết kế piston dài hơn làm cho piston không lật ngang trong xi lanh Để tránh piston quá nặng, hãy làm rỗng ruột của nó Xem Hình 1-12 và 1-13 Nếu piston chuyển động tịnh tiến lên, xuống và thanh truyền lắc qua lại theo trục khuỷu, thì rõ ràng thanh truyền phải lắc tại điểm được nối với piston, Hình 1-14

Bây giờ, hãy khoan một lỗ xuyên qua đầu trên của thanh truyền và khoan một lỗ xuyên qua piston Xếp thẳng hàng hai tâm lỗ và luồn một chốt qua chúng, chốt này được gọi

là chốt piston, hoặc chốt xoay Chốt piston được cố định theo nhiều cách khác nhau (sẽ đề cập chi tiết hơn sau) Xem Hình 1-15

Hình 1.12 Ảnh hưởng của piston ngắn

Piston ngắn sẽ bị nghiêng sang hai bên Hình 1.13 Tất cả các piston của ô tô được làm dài ra để tránh bị nghiêng

Hình 1 14 Để tận dụng toàn bộ hành trình của piston, thanh truyền phải lắc Lưu ý vị trí ở A so với C

Hình 1 15 Một chốt kim loại được sử dụng để giữ chặt thanh truyền với piston

1.13 Đưa nhiên liệu vào động cơ

Bạn có thể đã nhận thấy rằng không có cách nào để đưa nhiên liệu vào vùng xi-lanh trên của động cơ đã lắp ráp của bạn Bước tiếp theo của bạn là phát triển một hệ thống để nạp nhiên liệu và xả (thổi ra) nhiên liệu sau khi nó được đốt cháy

Chỉ một lỗ mở ở khu vực xi-lanh phía trên (gọi là buồng đốt) sẽ không đủ Bạn không thể nạp nhiên liệu và xả khí đốt từ cùng một lỗ mở Bạn cần hai lỗ mở

1.14 Đầu xi-lanh rời

Thiết kế lại phần trên khối xi lanh có thể tháo rời và gọi là đầu xi lanh (nắp cuy lát), đầu xi lanh được cố định với khối xi lanh bằng bu lông hoặc gu giông và đai ốc [Hình 1-16]

Hình 1 16 Đầu xi lanh, phần trên khối xi lanh đã được tháo rời

Đường dẫn nạp nhiên liệu và xả

Việc làm cho đầu xi-lanh của bạn có thể tháo rời vẫn chưa giải quyết được tất cả các vấn đề Bạn không thể tháo và lắp lại đầu xi-lanh mỗi khi động cơ hoạt động Bây giờ, hãy làm cho đầu xi-lanh bằng kim loại dày hơn và tạo ra hai lỗ hoặc đường ống, giống như những cái được hiển thị trong Hình 1-17 Điều này sẽ cho bạn một đường ống để nạp hỗn hợp nhiên liệu và một đường ống khác để xả nó Những đường ống này được gọi là cổng van, như trong Hình 1-18

Hình 1 17 Kim loại đầu xi lanh được làm dày hơn và các lỗ dẫn khí đã được thêm vào Các lỗ dẫn khí và kim loại đầu bổ sung này sẽ cho phép lắp đặt các bộ phận bổ sung

Hình 1 18 Các cổng van trên đầu xi lanh cho phép hỗn hợp khí-nhiên liệu đi vào và khí thải thoát ra khỏi xi lanh Khoảng trống phía trên piston và phía dưới các van được gọi là buồng đốt

1.15 Van

Là thiết bị để đóng mở các cổng, nếu cổng luôn mở, nhiên liệu nổ từ buồng đốt và áp lực trong buồng đốt sẽ thổi ra ngoài qua các cổng đã mở và không đẩy được piston.Thiết bị điều khiển cổng này, hay van, cần được bố trí sao cho có thể đóng mở theo thiết kế

Đặt một van ở mỗi lỗ mở Điều này có thể được thực hiện như hình 1-19 Khi van nằm trên đế van, nó sẽ bịt kín lỗ mở Các van có thể được giữ cố định bằng một lỗ khoan ở đầu trụ A trong Hình 1-19 Lỗ này được gọi là ống dẫn van vì nó dẫn hướng thân van lên xuống theo một đường thẳng

Hình 1 19 Van được lắp vào các cổng để bịt kín buồng đốt

Bạn cũng cần lắp thêm lò xo, đệm lò xo và khóa hãm (móng ngựa) Lò xo cần thiết để giữ van đóng chặt vào đế van Khi van được mở, lò xo sẽ đóng lại van Sắp xếp lò xo, đệm lò xo và khóa hãm của bạn như trong Hình 1-20 Giờ đây, các van cung cấp một phương pháp đóng mở cổng hiệu quả

Hình 1 20 Lắp ráp van, lò xo, vòng đệm và các chi tiết khác của cụm van Cụm này đóng van lại

1.16 Áp suất chân không

Không khí khí quyển bao bọc xung quanh mọi vật, Hình 1-21 Áp suất này xấp xỉ 14,7 lb trên mỗi inch vuông (103 kPa) ở mực nước biển Khi hút hết không khí ra khỏi một vật chứa, tạo ra một vùng chân không

Chân không là không tự nhiên và áp suất khí quyển sẽ cố gắng hết sức để đi vào vùng áp suất chân không Nếu có một lỗ rò rỉ nhỏ nhất trong vật chứa, không khí sẽ lọt vào cho đến khi áp suất bên trong vật chứa bằng với áp suất bên ngoài

Do đó, chân không là bất kỳ khu vực nào có áp suất không khí thấp hơn áp suất khí quyển

Hình 1.21 Áp suất không khí tác động lên tất cả mọi vật với lực khoảng 14,7 lb trên mỗi inch vuông (103 kPa) ở mực nước biển Áp suất không khí thay đổi theo độ cao

1.17 Bạn Đã Có Máy Bơm Chân Không

Hình 1-22 minh họa một máy bơm chân không đơn giản Máy bơm này bao gồm một xi lanh chứa một piston vừa khít Trong Hình 1-22A, piston chạm vào đầu xi lanh Rõ ràng, không có không khí giữa hai bề mặt này Khi bạn kéo piston qua xi lanh, như trong Hình 1-22B, bạn sẽ có một diện tích lớn giữa mặt piston và đầu xi lanh Nếu trước đó không có không khí giữa chúng, và nếu piston vừa khít với xi lanh, thì vẫn không có không khí giữa chúng Điều này cho bạn một diện tích lớn không có không khí, hay nói cách khác, là một vùng chân không

Nếu bạn khoan một lỗ trên đầu kín của xi lanh, Hình 1-22C, không khí sẽ lập tức tràn vào và lấp đầy xi lanh Bất kỳ vật liệu nào, chẳng hạn như nhiên liệu, có trong không khí xung quanh cũng sẽ được hút vào xi lanh

Hình 1 22 Xi lanh động cơ giống như 1 bơm chân không đơn giản

1.18 Máy bơm chân không của bạn ở đâu?

Nếu xi lanh và piston trong Hình 1-22 tạo thành chân không, thì hình trụ và piston trong động cơ của bạn cũng sẽ tạo ra chân không như vậy Nếu piston ở phía trên cùng của xi lanh (với cả hai van đóng) và bạn quay trục khuỷu, piston sẽ được kéo xuống vào xi lanh Điều này sẽ tạo thành một chân không mạnh trong xi lanh Nếu bây giờ bạn mở van nạp, không khí sẽ tràn vào xi lanh