Lịch sử phát triểnTrước Lenoir gần 50 năm, các kỹ sư người Pháp Nicéphore Niépce và ClaudeNiépce đã chế tạo một động cơ đốt trong chạy bằng hỗn hợp rêu, than cám và nhựa thôngchạy bằng s
KHÁI QUÁT ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
Lịch sử phát triển
Trước Lenoir gần 50 năm, các kỹ sư người Pháp Nicéphore Niépce và Claude Niépce đã chế tạo một động cơ đốt trong chạy bằng hỗn hợp rêu, than cám và nhựa thông chạy bằng sự nổ có kiểm soát Họ đặt tên cho nó là ‘The Pyréolophore’, và động cơ này đã được cấp bằng sáng chế bởi Napoléon Bonaparte Động cơ này không lâu sau đó là động cơ đốt trong chạy bằng khí hydro-oxy do Francois Issac De Rivaz phát minh, trong đó ông sử dụng tia lửa điện làm cơ chế đánh lửa Rivaz đã tiến xa hơn và lắp động cơ của mình vào một cỗ xe, trở thành chiếc ô tô đầu tiên trên thế giới chạy bằng động cơ đốt trong.
Vài năm sau, vào năm 1823, Samuel Brown được cấp bằng sáng chế cho động cơ đốt trong đầu tiên có thể ứng dụng trong công nghiệp Còn được gọi là ‘The Gas Vacuum Engine’, nó sử dụng áp suất khí quyển để hoạt động Ông đã chứng minh hiệu quả của nó trong việc chạy xe ngựa và thuyền, và vào năm 1930, động cơ này đã bơm thành công nước lên tầng trên của kênh đào Croydon ở Anh.
Những phát minh ban đầu về máy xới đất đã thu hút sự chú ý đáng kể, dẫn đến sự ra đời của nhiều sáng tạo độc đáo Năm 1826, Samuel Morey đã thiết kế và chế tạo chiếc máy xới đất chạy bằng hơi nước, đánh dấu một bước tiến đáng kể trong công nghệ xới đất Kể từ đó, nhiều nhà phát minh khác cũng đã có những đóng góp quan trọng, tạo nên sự phát triển liên tục của máy xới đất trong suốt chiều dài lịch sử.
Mỹ đã phát triển Động cơ hơi hay khí nén với bộ chế hòa khí Một lần nữa vào năm 1833, Lemuel Wellman Wright ở Vương quốc Anh đã tạo ra động cơ khí tác dụng kép kiểu bàn với xi cơ đầu tiên thực hiện nén trong xi-lanh Động cơ sử dụng hỗn hợp thuốc súng và không khí của Christiaan Huygens (Động cơ Huyghens) Đến năm 1791, nhà khoa học người Anh John Barber đăng ký bằng sáng chế cho động cơ tuabin khí đầu tiên Trong động cơ tuabin của Barber, nhiên liệu như than, dầu đốt, hoặc gỗ được gia nhiệt, hòa trộn với không khí, nén và đốt cháy Sản phẩm khí cháy có áp suất cao sẽ làm quay cánh quạt của tuabin, làm sinh công.
Năm 1794, Thomas Mead và Robert Street, hai kỹ sư người Anh, cùng đồng thời đăng ký bằng phát minh cho động cơ đốt trong sử dụng khí cháy.
Năm 1798, John Stevens, nhà phát minh người Mỹ, đã thiết kế động cơ đốt trong sử dụng cồn (alcohol) làm nhiên liệu cháy.
Năm 1801, Philippe Lebon, một kỹ sư người Pháp, đã đăng ký phát minh cho động cơ khí (hỗn hợp khí ga được nén trong buồng đốt và kích nổ).
Năm 1807, anh em kỹ sư người Pháp, Nicéphore Niépce (cũng là người phát minh ra kỹ thuật nhiếp ảnh) và Claude Niépce, đã chạy thử mẫu động cơ đốt trong mang tên Pyréolophore.
Năm 1823, Samuel Brown đã đăng ký sáng chế động cơ đốt trong chạy bằng khí, đánh dấu bước tiến tiên phong trong ngành công nghiệp Động cơ này được ứng dụng trong ô tô từ năm 1824, tàu chạy trên sông Thames năm 1827 và bơm nước tại kênh đào Croydon năm 1832 Năm 1838, kỹ sư người Anh William Barnett đã phát triển động cơ đốt trong đầu tiên có kỳ nén diễn ra trước khi phát nổ Tiếp nối những cải tiến, vào năm 1854, hai nhà phát minh người Ý Eugenio Barsanti và Felice Matteucci đã sáng chế động cơ pít-tông tự do.
Hình 1.1 Động cơ Lenoir chạy bằng khí đốt, do kỹ sư người Bỉ Étienne Lenoir phát minh.
Năm 1860, Jean Joseph Étienne Lenoir, một kỹ sư người Bỉ, đã phát minh động cơ đốt trong hai kỳ chạy bằng khí đốt, công suất 6 HP, hiệu suất 5% Đây được xem là động cơ đốt trong có hiệu quả thực tế đầu tiên Động cơ đốt trong của Lenoir là loại động cơ hai kỳ, một xi lanh, tác động kép, không có kỳ nén (hỗn hợp khí không được nén trước khi kích nổ), hỗn hợp khí được kích nổ ở khoảng 1/3 hành trình di chuyển của piston.
Năm 1872, George Brayton, một kỹ sư người Mỹ, đã phát minh động cơ đốt trong sử dụng dầu hỏa làm nhiên liệu
Hình 1.2 Mẫu thiết kế động cơ đốt trong bốn kỳ đầu tiên – Động cơ Otto – được sản xuất tại Anh vào khoảng năm 1887
Dựa trên mẫu thiết kế động cơ của Lenoir, Nikolaus Otto, một kỹ sư người Đức, đã phát minh động cơ đốt trong bốn kỳ đầu tiên vào năm 1876 (Chu trình Otto) Động cơ chạy bằng khí than của Otto không chỉ giảm tiếng ồn hơn, mà còn hiệu quả cao hơn gấp 3 lần so với động cơ của Lenoir
Năm 1879, Karl Benz chế tạo thành công động cơ đốt trong hai kỳ chạy bằng xăng.
Năm 1882, James Atkinson phát minh ra động cơ đốt trong hoạt động theo chu trình Atkinson
Năm 1885, Gottlieb Daimler, một kỹ sư người Đức, đăng ký bằng sáng chế cho động cơ bốn kỳ chạy bằng xăng đầu tiên.
Năm 1889, Daimler cùng một kỹ sư người Đức khác là Wilhelm Maybach đã cho ra mắt động cơ chữ V hai xi lanh đầu tiên tại Paris, Pháp.
Năm 1892, Rudolf Diesel phát triển thành công động cơ kích nổ nhờ quá trình nén hỗn hợp nhiên liệu (Động cơ Diesel) Động cơ Diesel vận hành ở tốc độ
170 RPM, có công suất 18 HP và hiệu suất 27% – hiệu suất cao hơn những động cơ hơi nước và động cơ kích nổ tia lửa điện cùng thời điểm đó.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
1.2.1 Cấu tạo chung của động cơ đốt trong
Tuy được chia thành nhiều loại nhưng nói chung cấu tạo của động cơ đốt trong gồm
2 cơ cấu và 4 hệ thống dưới đây
- Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền: Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền là bộ phận quan trọng đảm nhiệm việc nhận năng lượng từ quá trình dốt cháy nhiên liệu Bộ phận này gồm có 3 thành phần chính với cấu tạo, chức năng khác nhau: piston, thanh truyền và trục khuỷu.
Gồm piston, đầu và thân piston Ban đầu,piston sẽ nhận lực đẩy của khí cháy rồi truyền lực cho trục khuỷu để sinh công Đồng thời nhận lực từ trục khuỷu để thực hiện các quá trình khác như: Nạp, nén, cháy-dãn nở và thải.
Tay biên, còn gọi là thanh truyền lực, có cấu tạo gồm ba phần: đầu nhỏ, đầu to và thân Chức năng chính của tay biên là dẫn truyền lực từ piston trượt trong xi lanh đến trục khuỷu, giúp chuyển đổi chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu.
Có 6 chi tiết là đầu trục khuỷu, cổ khuỷu, chốt khuỷu, má khuỷu, đối trọng và đuôi trục khuỷu Bộ phận này nhận lực từ thanh truyền, sau đó chuyển hóa lực thẳng thành lực quay nhờ hệ thống liên động cơ khí.
Hình 1.3 Cấu tạo động cơ đốt trong
- Cơ cấu phân phối khí: Cơ cấu phân phối khí có nhiệm vụ đóng mở các cửa nạp/thải đúng lúc giúp động cơ thực hiện quá trình nạp thải khí mới vào xi lanh cũng như thải khí đã cháy trong xi lanh ra ngoài.
- Hệ thống bôi trơn: Hệ thống bôi trơn thực hiện vận chuyển dầu bôi trơn đến các chi tiết trong động cơ Từ đố giúp giảm ma sát bề mặt Chúng có vai trò không nhỏ khi hỗ trợ các chi tiết bên trong động cơ hoạt động tốt hơn, gia tăng tuổi thọ.
- Hệ thống khởi động: Hệ thống khởi động đảm nhân vai trò quan trọng là khởi động động cơ Lúc này, trục khuỷu được làm quay đến tốc độ nhất định để khối động cơ tự nổ máy.
- Hệ thống cung cấp nhiên liệu và không khí: Hệ thống cung cấp nhiên liệu và không khí thuộc cấu tạo động cơ đốt trong Nhiệm vụ chính là cung cấp hòa khí trước khi đưa vào buồng xi lanh với tỉ lệ không khí /nhiên liệu phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ.
- Hệ thống làm mát: Đúng như cái tên, hệ thống làm mát đóng vai trò làm mát, giữ cho nhiệt độ các chi tiết không nóng quá giới hạn cho phép khi dộng cơ hoạt động Điều này góp phần nâng cao tuổi thọ các chi tiết
1.2.2 Nguyên lý làm việc của động cơ đốt trong
Nguyên lý hoạt động của động cơ đốt trong là hỗn hợp không khí và nhiên liệu được đốt trong xi lanh của động cơ đốt trong để sinh ra nhiệt Nhiệt độ cao làm cho khí đốt giãn nở tạo ra áp suất tác dụng lên piston giúp đầy piston di chuyển.
Hiện nay có nhiều loại động cơ đốt trong khác nhau Tuy nhiên chúng đều hoạt động theo chu trình tuần hoàn gồm 4 bước là: nạp, nén, nổ (đốt) và xả Trong đó, xả và nạp được dùng để thêm khí mới Còn nén và nổ thì được dùng để đốt cháy khí và nhiên liệu để sinh ra công.
+ Kỳ 1 ( Kỳ nạp): Piston di chuyển tịnh tiến xuống dưới và tạo ra áp suất chân không, hút hỗn hợp nhiên liệu đi vòa xi lanh thông qua đường nạp của động cơ.
+ Kỳ 2 ( Kỳ nén ): Sau khi hỗn hợp được nạp vào buồng đốt, piston từ dưới tịnh tiến lên khiến thể tích buồng đốt giảm xuống Hỗn hợp nhiên liệu bị nén, áp suất và nhiệt độ tăng lên.
+ Kỳ 3 ( Kỳ nổ ): Piston di chuyển gần lên điến “ điểm chết trên’ thì bugi bật tia lửa điện (ở động cơ xăng) hoặc hỗn hợp tự cháy (ở động cơ diesel) Sự đốt cháy tạo ra áp suất lớn đẩy piston đi xuống, tạo ra cơ năng cho xe.
+ Kỳ 4 (Kỳ thải ): Khí thải sau quá trình đốt cháy được piston di chuyển từ dưới lên và đẩy ra ngoài qua đường xả động cơ.
Hình 1.4 Nguyên lí hoạt động động cơ 4 kì xăng
+ Kỳ nén: Piston vừa nén hỗn hợp hòa khí bên trong xi lanh vừa nạp hòa khí mới vào buồng đốt Khi piston đến điểm chết trên, quá trình nổ diễn ra.
Xu thế phát triển hiện nay
Hình 1.6 Doanh số bán xe và tốc độ tăng trưởng trung bình 2007- Nay
Như chúng ta đã biết, phát triển bền vững có nghĩa là tăng trưởng kinh tế phải đi đôi với bảo vệ môi trường Ô nhiễm môi trường đang là vấn đề bức xúc của mỗi quốc gia và của toàn cầu, vấn đề này đã được thông qua tại hội nghị thượng đỉnh liên hiệp quốcCOP21 tại Paris về việc chống biến đổi khí hậu toàn cầu Môi trường của con người đang bị hủy hoại nghiêm trọng từ nhiều nguồn khác nhau, một trong những nguồn gây ô nhiễm chủ yếu hiện nay là khí thải của động cơ đốt trong Nghiên cứu các giải pháp giảm thiểu ô nhiễm môi trường cho động cơ đốt trong và tìm kiếm nguồn năng lượng sạch, năng lượng tái tạo là một trong những xu hướng để giải quyết các vấn đề bức xúc ở trên.
Dưới đây sẽ trình bày một số lý do nghiên cứu xu hướng phát triển động cơ ở Việt Nam và Thế giới: Ô nhiễm môi trường đang ảnh hưởng nghiêm trọng đến con người và thiên nhiên, vì vậy cần phải hành động ngay hôm nay để bảo vệ môi trường sống của con người, bảo vệ trái đất.
- Nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt
- Năng lượng sạch và năng lượng tái tạo đã có thể thay thế được các nguồn năng lượng hóa thạch Vì các lý do trên, nên việc nghiên cứu phát triển động cơ theo hướng sử dụng năng lượng sạch và năng lượng tái tạo đang là vấn đề cấp thiết ở Việt Nam và các nước trên Thế giới
1.3.1 Sử dụng nhiên liệu sinh học cho động cơ tương lai
- Ưu điểm của nhiên liệu sinh học
Thân thiện với môi trường và con người Khắc phục được tất cả các nhược điểm của năng lượng truyền thống (nhiên liệu hóa thạch, điện hạt nhân).
- Nhược điểm của nhiên liệu sinh học
+ Cần phải có diện tích trồng cây lớn, điều này gây ảnh hưởng đến an ninh lương thực (nếu sử dụng ngũ cốc để điều chế nhiên liệu sinh học).
Để ứng dụng hoàn toàn nhiên liệu sinh học vào động cơ đốt trong, cần có sự đầu tư lớn vào nghiên cứu để cải tiến kết cấu động cơ Điều này đòi hỏi nguồn lực dồi dào về chuyên gia khoa học, cơ sở hạ tầng và vật chất phục vụ nghiên cứu chế tạo nhiên liệu sinh học cũng như cải tiến thiết kế động cơ.
1.3.2 Sử dụng động cơ điện thay thế cho động cơ đốt trong
- Ưu điểm của việc sử dụng động cơ điện:
+ Không có khí thải (Zero emission), vì vậy rất thân thiện với môi trưởng và con người.
+ Với trình độ khoa học và công nghệ hiện tại thì việc chế tạo động cơ điện trên ô tô là hoàn toàn khả thi.
+ Năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng nước, năng lượng sinh học đã có các bước tiến vượt bậc, đủ khả năng thay thế nhiên liệu truyền thống
- Nhược điểm của việc sử dụng động cơ điện:
+ Hành trình của xe trên một lần sạc thấp hơn so với nhiên liệu ruyền thống Việc xử lý rác thải “ác qui” đòi hỏi nhiều đầu tư nghiên cứu’
+ Cần nhiều nhân lực khoa học và cơ sở vật chất phục vụ nghiên cứu ácqui, động cơ điện, hệ thống điều khiển động cơ
+ Cần phải có sự hợp tác chiến lược giữa các quốc gia (đặc biệt là các nước đi đầu về công nghệ như: Mỹ, Nhật, Hàn Quốc, Trung Quốc ) để đưa ra lộ trình chuyển đổi cụ thể và rõ ràng Đây có thể nói là trở ngại lớn nhất trong việc chuyển đổi công nghệ.
TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
ĐỐT TRONG 2.1 Tính toán các thông số ban đầu
- Bán kính tay quay trục khuỷu:
❑=41.5 0,25= 166 (mm) = 0,166 (m) Chọn hệ số kết cấu =0.25
- Vận tốc góc của trục khuỷu ω =2 πnn e
30=3,14 30 4500G1 (rad/s) Trong đó: n e - Số vòng quay
- Thể tích của một xy lanh:
D- là đường kính xy lanh
- Công suất một xy lanh: Đổi: P z = 62.3 (kg/c m 2 ¿ = 0.00623 (kg/m 2 ) nN = 4500 v/p
V h - Thể tích công tác của một xy lanh
P z - áp suất cuối kỳ cháy n e - tốc độ động cơ tại công suất cực đại k- hệ số, chọn k = 2.6
2.2.1 Tính toán động học của piston a Tính toán chuyển vị của piston
X = R [(1-cos α ) + ❑ 4 (1-cos2 α )]= 0,0415[( 1-cos2α)] (m))] (m) Trong đó:
X - là độ chuyển vị của piston.
R - là bán kính quay của trục khuỷu;
- là tham số kết cấu, chọn = 0,25
- góc quay trục khuỷu (0 – 360 0 ) Đặt:
- Chọn tỷ lệ xích: àX = 4 (m)
Tiến hành lập bẳng giá trị của góc quay trục khuỷu α)] (m) (độ) X1 (m) X2 (m) X (m) Lx1 (mm) Lx2 (mm) Lx (mm)
Khối lượng nhóm piston (mpt) 0,32 kg
Khối lượng nhóm thanh truyền (mtt) 0,48 kg
Lx1(mm) Lx2(mm) Lx(mm)
Hình 2.1 Đồ thị chuyển vị Piston theo X-α b Tính toán vận tốc của piston
Công thức tính vận tốc piston:
R - Là bán kính quay của trục khuỷu;
- là tham số kết cấu; α)] (m) - là góc quay của trục khuỷu;
- tốc độ góc trục khuỷu Đặt: V 1 = R ω sinα)] (m) (m/s)
- Chọn tỷ lệ xích: àV= 4 (s) → Lv = àV.V
Lập bảng giá trị vận tốc Piston theo góc quay trục khuỷu α)] (m) (độ) V1 (m/s) V2 (m/s) V (m/s) Lv1 (mm) Lv2 (mm) Lv (mm)
Lập đồ thị vận tốc của Piston
Lv1 (mm) Lv2 (mm) Lv (m)
Hình 2.2 Đồ thị vận tốc Piston theo V-α c Tính toán gia tốc của piston
Ta có công thức tính gia tốc của piston: J
R - là bán kính quay của trục khuỷu;
- là tham số kết cấu;
- là góc quay của trục khuỷu;
- tốc độ góc trục khuỷu. Đặt: J1 = R.ω 2 cos (m/s 2 )
Ta có bảng giá trị gia tốc củ piston J-α: α)] (m) (độ) J1(m/s 2 ) J2(m/s 2 ) J (m/s 2 ) LJ1(mm) LJ2(mm) LJ(mm)
Lập đồ thị gia tốc piston
80.0 ĐỒ THỊ GIA TỐC PISTON
LJ1(mm) LJ2(mm) LJ(mm)
Hình 2.3 Đồ thị gia tốc Piston theo J-α
2.2.2 Tính toán động học của thanh truyền a Tính toán góc lắc của thanh truyền β = arcsin(λ.sinα)] (m)) (độ) b Tính toán tốc độ lắc của thanh truyền
Công thức tính góc lắc của piston: ω tt = ω.λ.cosα)] (m) (1/s) c Tính toán gia tốc lắc của thanh truyền ε tt =−ω 2 (1−λ 2 ) sinα
Lập bảng giá trị α)] (m)(độ) β (độ) wtt(1/s) εtt(1/stt(1/s 2 )
VẬN TỐC VÀ GIA TỐC THANH TRUYỀN
Hình 2.4 Đồ thị động học thanh truyền
2.3 Tính toán động lực học a Tính toán lực quán tính chuyển động tịnh tiến: P j
Trong đó: m t =m pt +m tt ¿ 0,32 + 0,48 = 0.8 (kg) b Tính toán lực quán tính chuyển động quay P k
(kN) c Tính toán lực tổng hợp tác động lên cơ cấu TK-TT
P kt =p z F p b.3∗0.00664=0.41 (kN) Với : p z - Áp suất cuối quá trình cháy p z = 62,3 (kg/cm 2 ) = 0,00623 (kg/m 2 )
F p - Diện tích đỉnh piston F p = 0.00664 (m 2 ) d Tính toán các lực thành phần
T=P sin(β+α) cosβ (kN) Trong đó: P - lực tổng hợp tác động lên cơ cấu TK-TT β - góc lắc của thanh truyền α - góc quay trục khuỷu
Lập bàng giá trị α)] (m) (độ) PJ (kN) P (kN) Z (kN) T (kN)
150 ĐỒ THỊ ĐỘNG LỰC HỌC
PJ (kN) P (kN) Z (kN) T (kN)
Hình 2.4 Đồ thị động học
PHA PHÂN PHỐI KHÍ CỦA ĐỘNG CƠ
Đặc điểm cấu tạo của cơ cấu phân phối khí
Cơ cấu phân phối khí là bộ phận quan trong trong cấu tạo động cơ, có nhiệm vụ đưa không khí vào xy lanh và xả khí thải ra bên ngoài Quá trình dung nạp không khí của bộ phận này được thực hiện thông qua việc đóng mở định kỳ cửa nạp và cửa xả
- Cấu tạo cơ cấu phân phối khí
Hệ thống cơ cấu phân phối khí được cấu tạo từ nhiều chi tiết máy khác nhau, bao gồm:
+ Trục cam: Bộ phận này là một trục liền không có khúc nối, bao gồm các vấu cam nạp, cam thải và các cổ trục Thông thường, các vấu cam sẽ được bố trí dựa theo thứ tự nổ của từng loại động cơ hoặc chức năng của trục cam.
+ Xupap: Đây là bộ phận có nhiệm vụ đóng mở cửa nạp và cửa xả trong xi lanh của động cơ đốt trong Xupap được cấu tạo từ các loại vật liệu có khả năng chịu nhiệt cao, cứng và ít chịu giãn nở.
+ Lò xo xupap: Lò xo xupap cũng được cấu tạo từ vật liệu cứng nhưng lại có tính năng đàn hồi tốt Bộ phận này thường là lò xo trụ có bước xoắn thay đổi, giúp làm giảm các dao động cộng hưởng trong quá trình hoạt động, hạn chế bị gãy lò xo.
- Phân loại cơ cấu phân phối khí:
Cơ cấu phân phối khí dùng xupap
Cơ cấu phân phối khí dùng xupap đặt
Cơ cấu phân phối khí dùng xupap treo
Cơ cấu phân phối khí dùng van trượt
Cơ cấu phân phối khí dùng hỗn hợp
Bảng thứ tự nổ động cơ
Thứ tự nổ (1 – 5 – 3 – 6 – 2 – 4) động cơ thẳng hàng
Bảng pha phân phối khí của động cơ
Góc đánh lửa sớm ( φ 5) 35° Đồ thị pha phân phối khí
Hình 3.1 Sơ đồ pha phân phối khí
