Bài giảng môn học nguyên lý động cơ đốt trong chương i

Khái quát về động cơ đốt trongƯu nhược điểm và lĩnh vực sử dụng ĐCĐTPhân loại ĐCĐTĐại cương về nguyên lý hoạt động của ĐCĐTKhái quát về động cơ đốt trongƯu nhược điểm và lĩnh vực sử dụng ĐCĐTPhân loại ĐCĐTĐại cương về nguyên lý hoạt động của ĐCĐT

BÀI GIẢNG MÔN HỌC

NGUYÊN LÝ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Chương I ĐẠI CƯƠNG VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

• Khái quát về động cơ đốt trong

• Ưu nhược điểm và lĩnh vực sử dụng ĐCĐT

• Phân loại ĐCĐT

• Đại cương về nguyên lý hoạt động của ĐCĐT

1 Khái quát về động cơ đốt trong

1.1 Khái niệm chung

Động cơ đốt trong (động cơ xăng và động cơ diesel) kiểu piston chuyển động tịnh tiến thuộc loại động cơ nhiệt Hoạt động nhờ quá trình biến đổi hoá năng sang nhiệt năng do nhiên liệu bị đốt cháy rồi chuyển sang cơ năng Quá trình này được thực hiện

ở trong xylanh của động cơ

- Tổng công suất do động cơ đốt trong tạo ra chiếm khoản 90% công suất thiết bị động lực do mọi nguồn năng lượng tạo ra

( nhiệt năng, thủy năng, năng lượng nguyên tử, năng lượng mặt trời….

- Trong động cơ đốt trong, các quá trình đốt cháy nhiên liệu, và chuyển hóa nhiệt năng thành cơ năng được thực hiện bên trong động cơ.

- Động cơ đốt trong gồm có: động cơ đốt trong piston, tua bin khí

và động cơ phản lực

1.2 Những thông số cơ bản của động cơ Các bộ phận chính của ĐCĐT:

+ Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền;

+ Cơ cấu phối khí;

+ Hệ thống nhiên liệu;

+ Hệ thống bôi trơn;

+ Hệ thống làm mát;

+ Hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ động cơ; + Hệ thống khởi động.

Những thụng số cơ bản của động cơ

+ Quá trình công tác: là tổng hợp tất cả biến đổi của môi chất công tác xảy ra

trong xy lanh của động cơ và trong các hệ thống gắn liền với xy lanh nh hệ ư hệ thống nạp - thảI

+ Chu trình công tác: là tập hợp những biến đổi của môi chất công tác xảy ra bên

trong xy lanh của động cơ và diễn ra trong một chu kỳ

+ Điểm chết: là điểm mà piston đổi chiều chuyển động

+ Điểm chết trờn (ĐCT) là điểm xa nhất của piston so

với đường tõm trục khuỷu

+ Điểm chết dưới (ĐCD) là điểm gần nhất của piston

so với đường tõm trục khuỷu

+ Hành trỡnh piston S là khoảng cỏch từ vị trớ cao

nhất của piston (điểm chết trờn ĐCT) đến vị trớ thấp

nhất của của piston (điểm chết dưới ĐCD) khi piston

dịch chuyển S = 2.R; trong đú R- là bỏn kớnh quay

của trục khuỷu

+ Kỳ là một phần của chu trình công tác xảy ra khi

piston dịch chuyển một hành trình

+ Thể tích làm việc của xylanh (Vh) là thể tích của

xylanh giới hạn trong khoảng một hành trình của piston

+ Thể tích làm việc của động cơ (VH)

i: là số xylanh của động cơ

+ Thể tích buồng cháy (Vc) là thể tích phần không gian giữa đỉnh piston, xylanh và nắp xylanh khi piston ở ĐCT

+ Thể tích toàn bộ (Va) là tổng thể tích làm việc

của xylanh Vh và thể tích buồng cháy Vc

+ Tỷ số nén của động cơ (ɛ) là tỷ số

giữa thể tích chứa hoà khí của

xylanh Va và thể tích buồng cháy Vc

S

2 Ưu nhược điểm và lĩnh vực sử dụng ĐCĐT

• Ưu điểm

+ Hiệu suất nhiệt cú thể đạt tới 50% cao hơn cỏc loại động cơ hơi nước piston 16%, turbin 25%, turbin khớ 30%

Hiệu suất nhiệt xỏc định theo cụng thức:

T1: nhiệt độ nguồn núng; T2: nhiệt độ nguồn lạnh

+ Kích th ớc và trọng l ợng nhỏ, công suất riêng lớn, do quá trình cháy diễn ra trong xy lanh của động cơ và do sử dụng nhiên liệu có nhiệt trị cao

+ Khởi động, vận hành và chăm sóc động cơ thuận tiện, dễ dàng

Nh ược điểm c đi m ểm

+ Khả năng quá tải kém, cụ thể không quá 10% trong 1 giờ

+ Không thể khởi động đ ợc khi có tải do tại chế độ tốc độ vòng quay nhỏ, mô men sinh ra không lớn Phải có hệ thống khởi động riêng

+ Công suất cực đại không lớn

+ Cấu tạo phức tạp, giá thành chế tạo cao

+ Nhiên liệu cần có những yêu cầu khắt khe

+ Ô nhiễm môi tr ờng do khí thải và ồn

Lĩnh vực sử dụng

Động cơ đốt trong hiện nay vẫn là máy động lực chủ yếu, đóng vai trò vô

cùng quan trọng trong các lĩnh vực của đời sống con ng ời nh giao thông vận tải, xây dựng, khai thác mỏ, nông nghiệp, ng nghiệp trong vòng nửa thế kỷ tới vẫn ch a có động cơ nào có thể thay thế đ ợc động cơ đốt trong

3 Phân loại động cơ đốt trong

• Theo nhiên liệu sử dụng:

+ Động cơ xăng: động cơ dùng nhiên liệu xăng

+ Động cơ diesel: động cơ dùng nhiên liệu diesel

• Theo phương pháp tạo hoà khí và đốt cháy:

+ Động cơ tạo hoà khí bên ngoài

+ Động cơ tạo hoà khí bên trong

• Theo số kỳ thực hiện một chu trình công tác:

+ Động cơ bốn kỳ

+ Động cơ 2 kỳ

• Theo quá trình cấp nhiệt và tỷ số nén ():

+ Động cơ làm việc theo quá trình cấp nhiệt đẳng tích, loại này bao gồm những động cơ có tỷ số nén thấp (ε = 5 - 12)

+ Động cơ làm việc theo quá trình cấp nhiệt đẳng áp, loại này bao gồm những động cơ có tỷ số nén cao (ε = 12 - 24))

+ Động cơ làm việc theo quá trình cấp nhiệt hỗn hợp, loại này bao gồm những động cơ có tỷ số nén cao (ε = 12 - 24))

• Theo phương pháp nạp:

+ Khí nạp được nén trước khi nạp (động cơ tăng áp)

+ Khí nạp không được nén trước khi nạp (động cơ không tăng áp)

+ Khi Cm = (6 - 9) m/s - động cơ tốc độ trung bình

+ Khi Cm = (9 - 13) m/s - động cơ tốc độ cao

+ Khi Cm > 13 m/s - động cơ siêu cao tốc

• Theo số lượng và cách bố trí xylanh:

+ Số lượng xylanh: động cơ một xylanh và động cơ nhiều xylanh

+ Cách bố trí xylanh: động cơ có xylanh đặt thẳng đứng, nghiêng và ngang; + Theo số hàng xylanh: động cơ 1 hàng, động cơ chữ V và động cơ hình sao; + Theo số trục khuỷu: động cơ một, hai hoặc ba trục khuỷu

4) Đại cương về nguyên lý hoạt động của ĐCĐT

• Nguyên lý làm việc của động cơ 4 kỳ không tăng áp

Động cơ 4) kỳ thực hiện 1 chu trình làm việc trong 2 vòng quay của trục khuỷu hay 4) lần lên xuống của piston Trong quá trình làm việc, chuyển động tịnh tiến của piston qua cơ cấu biên - tay quay chuyển thành chuyển động quay của trục khuỷu Khi khởi động, hoạt động của động cơ được thực hiện theo trình tự ngược lại

• Hành trình nạp: khi trục khuỷu quay, piston sẽ dịch chuyển từ ĐCT xuống ĐCD, xupáp nạp mở, xupáp thải đóng, làm cho áp suất trong xylanh giảm

và do đó hoà khí ở bộ chế hoà khí (động cơ xăng) hoặc không khí sạch (động cơ diesel)qua ống nạp được hút vào xylanh

Trên đồ thị công (đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa áp suất và thể tích làm việc của xylanh ứng với mỗi vị trí khác nhau của piston), hành trình nạp được thể hiện bằng đường ra (r-a) Trong hành trình nạp, xupáp nạp

thường mở sớm trước khi piston lên điểm chết trên (biểu thị bằng điểm d1), bảo đảm hoà khí đi vào xylanh nhiều hơn Góc ứng với đoạn d1r đó được gọi là góc mở sớm của xupáp nạp

• Hành trỡnh nộn

Piston đi từ ĐCD lên ĐCT Xu páp nạp đóng muộn một góc 2 tại điểm d2 nhằm tận dụng ϕ2 tại điểm d2 nhằm tận dụng quán tính của dòng khí để nạp thêm Hỗn hợp công tác bị nén khi hai xu-páp cùng đóng dẫn tới tăng áp suất và nhiệt độ trong xy lanh Tại điểm c gần ĐCT t ơng ứng với góc ’ gần ĐCT tương ứng với góc

s, bu-gi (động cơ xăng, gas) bật tia lửa điện hay vòi phun (động cơ diesel) phun nhiên

ϕ2 tại điểm d2 nhằm tận dụng

liệu vào xy lanh Góc s đ ợc gọi là góc đánh lửa sớm (động cơ xăng, động cơ gas) ϕ2 tại điểm d2 nhằm tận dụng hay góc phun sớm (động cơ diesel) Quá trình cháy làm cho áp suất và nhiệt độ trong xy lanh tăng lên rất nhanh

Hành trỡnh chỏy – gión nở

Piston đi từ ĐCT xuống ĐCD Sau ĐCT, quá trình cháy tiếp tục diễn ra nên áp suất và nhiệt

độ tiếp tục tăng, sau đó giảm do thể tích xy lanh tăng nhanh Khí cháy gión nở sinh

công Gần cuối hành trình, xu páp thải mở sớm một góc 3 tại điểm b để thải sản ph m ϕ2 tại điểm d2 nhằm tận dụng ’ gần ĐCT tương ứng với góc ẩm cháy ra khỏi xy lanh vào đ ờng thải

Hành trỡnh xả

Piston đi từ ĐCD lên ĐCT, sản ph m cháy bị thải c ỡng bức do piston đẩy ra khỏi xy lanh ẩm

Để tận dụng quán tính của dòng khí nhằm thải sạch thêm, xu páp thải đóng muộn sau

ĐCT một góc 4 ở hành trình nạp của chu trình tiếp theo ϕ2 tại điểm d2 nhằm tận dụng

- Trong khoảng góc 1 + 4 (cuối quá trình thải, đầu quá trình nạp), hai xu páp đều mở Do ϕ2 tại điểm d2 nhằm tận dụng ϕ2 tại điểm d2 nhằm tận dụng

đó 1 + 4 đ ợc gọi là góc m trùng của xu páp ϕ2 tại điểm d2 nhằm tận dụng ϕ2 tại điểm d2 nhằm tận dụng ở trùng của xu páp

• Nguyờn lý làm việc của động cơ 2 kỳ

Động cơ 2 kỳ cú chu trỡnh cụng tỏc thực hiện trong 1 vũng quay của trục khuỷu hay 2 hành trỡnh của piston

+ Hành trỡnh thứ nhất (cháy gión nở, thải tự do, quét khí và nạp khí mới)

Piston đi chuyển từ ĐCT đến ĐCD, khí đó cháy

và đang cháy trong xy lanh gión nở sinh công

Khi piston mở cửa thải, khí cháy có áp suất

cao đ ợc thải tự do ra đ ờng thải Từ khi piston

mở cửa quét cho đến khi đến điểm chết d ới,

khí nạp mới có áp suất cao nạp vào xy lanh

đồng thời quét khí đó cháy ra cửa th i.ải

+ Hành trỡnh thứ hai (quét, nạp khí, nén và cháy)

Piston di chuyển từ ĐCD đến ĐCT, quá trình quét nạp

vẫn tiếp tục cho đến khi piston đóng cửa quét

Từ đó cho đến khi piston đóng của thải,

môi chất trong xy lanh bị đẩy qua cửa thải ra

ngoài, vì vậy giai đoạn này gọi là giai đoạn lọt khí

Tiếp theo là quá trình nén bắt đầu từ khi piston

đóng cửa thải A cho tới khi nhiên liệu phun vào xy lanh (động cơ diesel)

hoặc bu gi (động cơ xăng) bật tia lửa điện Sau một thời gian cháy trễ rất ngắn quá trình cháy sẽ xảy ra

• So sánh động cơ

+ Động cơ 4 kỳ và 2 kỳ

• Động cơ hai kỳ có số hành trình sinh công gấp đôi ( khi cùng số vòng quay n) và có công suất lớn hơn khoảng (50-70)% (khi cùng thể tích làm việc Vh

và số vòng quay n) so với động cơ 4) kỳ

• Động cơ hai kỳ chạy đều và êm hơn động cơ 4) kỳ, vì mỗi vòng quay của trục khuỷu có một hành trình sinh công Do đó với các điều kiện như nhau (S,D,i và n), thì ở động cơ hai kỳ có thể dùng bánh đà, lắp trên trục khuỷu

có kích thước và trọng lượng nhỏ hơn so với động cơ 4) kỳ

• Động cơ hai kỳ không có xupáp nạp và nếu dùng cácte để thổi khí vào

xylanh, thì cấu tạo đơn giản và dễ sử dụng hơn so với động cơ bốn kỳ

• Hiệu suất của động cơ hai kỳ nhỏ hơn so với động cơ bốn kỳ, do có sự hao phí nhiên liệu trong quá trình trao đổi khí

• Nhiệt độ trong quá trình làm việc của động cơ hai kỳ lớn hơn so với động

cơ 4) kỳ, do có số lần sinh công nhiều hơn, làm cho động cơ bị đốt nóng và đặc biệt đối vơi động cơ diesel dễ bị bám muội than ở buồng cháy.v.v

• Trong động cơ xăng hai kỳ, nếu dùng cácte chứa dầu bôi trơn để thổi khí, thì dễ làm hỏng dầu bôi trơn

• Căn cứ vào những đặc điểm trên, động cơ xăng hai kỳ thường được dùng

ở động cơ có công suất nhỏ

+ Động cơ xăng và động cơ Diesel

• Hiệu suất của động cơ diesel lớn hơn động cơ xăng, do hao phí nhiên liệu ít

và tỷ số nén cao Ví dụ, nếu động cơ xăng có suất tiêu hao nhiên liệu là ge= (150-24)0)g/kW.h thì động cơ diesel là ge= (110-190)g/kW.h, nghĩa là lượng nhiên liệu tiêu hao ở động cơ diesel là ít hơn động cơ xăng khoảng (30-

35)%

• Nhiên liệu dùng trong động cơ diesel là dầu diesel rẻ tiền và ít gây cháy hơn so với xăng dùng trên động cơ xăng

• Hệ thống nhiên liệu của động cơ diesel (bơm cao áp, vòi phun) ít bị hư

hỏng và dễ dùng hơn hệ thống nhiên liệu của động cơ xăng (dùng bộ chế hoà khí, hoặc hệ thống phun xăng điện tử, )

• Kích thước và trọng lượng của động cơ diesel lớn hơn động cơ xăng vì

áp suất khí cháy trong động cơ diesel lớn Do đó trọng lượng riêng của động cơ diesel (trọng lượng trên một đơn vị công suất tính bằng kW) lớn hơn trọng lượng riêng của động cơ xăng (4)0-70)%

• Động cơ diesel, đặc biệt là hệ thống nhiên liệu, chế tạo khó hơn động cơ xăng Do đó, giá thành của động cơ diesel thường cao hơn động cơ xăng

• Động cơ diesel dùng nhiên liệu nặng khó cháy và phương pháp tạo hoà khí giữa nhiên liệu phun sương với không khí không tốt nên khó khởi động

hơn động cơ xăng

+ Động cơ nhiều xi lanh