V. ĐỘNG CƠ 5 THÌ (5 STROKE ENGINE)
2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ 5 thì
2.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ 5 thì
Nguyên lý hoạt động của động cơ 5 thì đƣợc sủ dụng đồng thời cả ba xylanh, đặc điểm và công việc của ba xylanh này đều khác nhau tại một vòng quay. Xylanh (cao áp HP) trái và phải hoạt động song hành với nhau. Nếu xylanh bên phải thực hiện nhiệm vụ nạp nén thì xylanh bên trái thực hiện nhiệm vụ nổ, xả. Xylanh ở giữa di chuyển ngƣợc lại với hai xylanh ngoài cùng.
Hai xylanh HP trái và phải của động cơ 5 thì vẫn hoạt động theo 4 kỳ: nạp, nén, nổ, xả. Nhƣng đến kỳ xả cả hai xylanh khộng thoát khí thải ra ngoài mà lần lƣợt đƣa khí thải vào xylanh ở giữa thông qua ống nối. Tại đây hỗn hợp khí với áp suất cao sẽ đẩy piston di chuyển xuống và cung cấp thêm năng lƣợng để tăng tỷ số nén.
Xylanh ở giữa (áp suất thấp) tách riêng quá trình nén và giãn nên có thể giúp tăng mức độ giãn và nén cho hai xylanh trái và phải. Nên tỷ số nén của động cơ có thể đạt đến 14,5:1, gần bằng động cơ dầu diesel.
Hoạt động của động cơ đƣợc chia thành 5 thì:
1 - Nạp hòa khí vào buồng đốt (hai xylanh ngoài cùng) 2 - Nén hòa khí trong buồng đốt
3 - Nổ và giãn
4 - Xả khí thải vào xylanh ở giữa 5 - Xả khí ra khỏi động cơ
Xét quá trình hoạt động của xylanh (cao áp HP) bên trái: 2.2.1. Nạp hòa khí vào buồng đốt (xylanh bên trái)
Piston của xylanh bên trái di chuyển từ ĐCT xuống ĐCD xupap nạp của xylanh trái mở, xupap xả đóng, thể tích bên trong xylanh tăng, áp suất giảm, nhiên liệu đƣợc đƣa vào bên trong xylanh. Khi piston di chuyển đến ĐCD thì kết thúc quá trình nạp nhiên liệu và trục khuỷu thực hiện đƣợc một nửa vòng quay.
2.2.2.Nén hòa khí
Hình 97: Nén hòa khí vào buồng đốt xylanh bên trái
Nguồn: http://www.5-stroke-engine.com/
Piston di chuyển từ ĐCD lên ĐCT, lúc này hai xupap của xylanh bên trái cùng đóng. Thể tích trong xylanh bắt đầu giảm áp suất trong xylanh tăng cao, piston di chuyển lên đến ĐCT kết thúc kỳ nén. Quá trình nén đƣợc thực hiện bởi một nửa vòng quay.
2.2.3. Nổ và giãn
Khi kết thúc kỳ nén, áp suất trong xylanh tăng cao, nhiệt độ tăng cao, nhiên liệu tự cháy và sinh công đẩy piston di chuyển xuống ĐCD, cả hai xupap
Hình 98a: Nổ và giãn trong xylanh bên trái
Nguồn: http://www.5-stroke-engine.com/
Hình 98b: Nổ và giãn trong xylanh bên trái
2.2.4. Xả khí thải vào xylanh ở giữa
Hình 99a: Xả khí thải vào xylanh ở giữa (xylanh LP)
Nguồn: http://www.5-stroke-engine.com/
Hình 99b: Xả khí thải vào xylanh ở giữa (xylanh LP)
Nguồn: http://www.5-stroke-engine.com/
Piston di chuyển từ ĐCD lên ĐCT, xupap nạp đóng kín, xupap xả mở và thải khí thải vào xylanh ở giữa (xylanh thứ cấp). Khí thải đẩy Piston ở giữa từ ĐCT xuống ĐCD nhờ áp suất cao “ tại quá trình này tăng tỷ số nén cao do piston
2.2.5. Xả khí thải ra khỏi động cơ
Hình 100: Xả khí thải ra ngoài môi trường
Nguồn: http://www.5-stroke-engine.com/
Piston của “xylanh ở giữa” (xylanh LP) di chuyển từ ĐCD lên ĐCT lúc này xupap xả của “xylanh giữa” mở, các xupap giữa hai ống nối của “xylanh giữa” đóng. Nhiên liệu cháy một lần nữa đƣợc xả khỏi động cơ.
Nhận xét: Trong quá trình động cơ hoạt động, các nhà thiết kế cho các xupap thực hiện quá trình mở sớm đóng muộn và đánh lửa sớm để giúp động cơ có thể nạp đầy và xả sạch. Giúp động cơ có tỷ số nén cao, hiệu suất cao.
Các xylanh trái và phải lần lƣợt xả nhiên liệu cháy vào xylanh ở giữa (xylanh thứ cấp). “Xylanh bên phải cũng có nguyên lý hoạt động giống nhƣ bên trái. Nếu xylanh bên trái thực hiện nhiệm vụ nạp và nén thì xylanh bên phải thực hiện nhiệm vụ nổ và thải”.
Dƣới đây là một số biểu đồ đƣợc xây dựng trong quá trình động cơ hoạt động:
Hình 101: Đo tiêu hao nhiên liệu
Nguồn http://www.5-stroke-engine.com/en/Ilmor-Ergebnisse.html
Hình 101: Minh họa sơ đồ riêng của động cơ 5 thì về quá trình tiêu hao nhiên liệu của động cơ ở mức vòng quay khác nhau và chức năng khi tăng số vòng/phút ở mức độ đầy tải. Đây là một tính năng đặc biệt của động cơ 5 thì, do đó động cơ kết hợp đƣợc tỷ lệ nén thấp của xylanh khi đốt cháy nhiên liệu ở áp suất cao và mở rộng giai đoạn thứ hai.
Hình 102: Cho thấy số vòng/phút cao hơn, động cơ hoạt động mƣợt mà và các chi tiết quay hoạt động tốt không có bất kỳ vấn đề gì phát sinh khi động cơ hoạt động. Những tổn thất liên quan đến vấn đề lƣu chuyển dòng chảy từ các xylanh áp suất cao đến xylanh áp suất thấp là ít hơn.
Hình 102: Đo dữ liệu công suất của động cơ 5 thì
Hình 103: Đo áp suất và nhiệt độ của động cơ 5 thì
Hình 103: Minh họa về đo áp suất và nhiệt độ của động cơ 5 thì, áp suất ba thanh gần nhƣ tuyệt đối và tăng áp thông thƣờng. Đặc biệt các mẫu thử nghiệm
Hình 104: Đo nhiệt độ khí thải của động cơ 5 thì
Nguồn http://www.5-stroke-engine.com/en/Ilmor-Ergebnisse.html
Hình 104: Thể hiện một tính năng vô cùng thú vị của động cơ 5 thì, áp lực tác dụng gần ba thanh. Nhiệt độ khí thải khi đƣa vào tuabin không đạt tới 8500
C, điều này có nghĩa là công nghệ tuabin sẽ đƣợc triển khai trọng động cơ 5 thì và không cần phải chỉnh sửa thêm. Vì vậy kết quả tiêu thụ nhiên liệu sẽ đƣợc tối ƣu hóa hơn nữa.
Hình 105: So sánh về vấn đề tiêu hao nhiên liệu của động cơ 5 thì với động cơ ô tô chu kỳ thông thƣờng với (1,9 lít) tại một số điểm hoạt động trong phạm vi một phần tải. Tại thời điểm một phần tải khi phanh tiếc là các nhà nghiên cứu đo không đƣợc đầy đủ.
Hình 105: Đo về vấn đề tiêu hao nhiên liệu khi phanh (thắng) ở phần tải
Nguồn http://www.5-stroke-engine.com/en/Ilmor-Ergebnisse.html
3. Ƣu điểm và nhƣợc điểm của động cơ 5 thì
3.1. Ƣu điểm
Động cơ 5 thì với ƣu điểm tuyệt vời, tận dụng lƣợng khí thải của hai xylanh bên ngoài xả vào trong xylanh ở giữa (xylanh thứ cấp). Nhờ áp suất cao nên đã cung cấp thêm năng lƣợng cho động cơ, do đó làm tăng hiệu quả nhiệt động lực học. Ở kỳ thứ 5 chính là chìa khóa để tạo ra ƣu điểm lớn cho động cơ này.
Động cơ 5 thì có áp suất cao, làm tăng tỷ số nén 14,5:1 động cơ này ngang với động cơ diesel . Động cơ có thể chạy đƣợc đa nhiện liệu.
Kích thƣớc của động cơ nhỏ, với hai xylanh ngoài cùng nhỏ hơn xylanh ở giữa cần áp suất bơm thấp.
Các chi tiết cấu tạo và sử dụng đơn giản nên không cần quá nhiều chi phí. Giảm đƣợc 10% lƣợng khí thải so với động cơ 4 thì hiện đại.
Sử dụng nhiên liệu ít tốn kém hơn, do hai xylanh ở ngoài nhỏ.
Động cơ 5 thì có cấu tạo gần giống với động cơ 4 thì truyền thống, nên khí bảo trì sửa chữa sẽ dễ dàng hơn. Giúp cho mọi ngƣời dẽ hiểu hơn về nguyên lý hoạt động của động cơ này.
3.2.Nhƣợc điểm
Động cơ 5 thì có rất nhiều ƣu điểm lớn song bên cạnh đó cũng không thể không có nhƣợc điểm. Với cấu trúc cấu tạo, nguyên lý hoạt động gần giống với động cơ 4 thì truyền thống nên nhƣợc điểm đầu tiên của đông cơ 5 thì này là lực quán tính ly tâm vẫn còn.
Động cơ 5 thì với các chi tiết cấu tạo và khi hoạt động không đối xứng nhƣ các động cơ tiên tiến trên thể giới, nên khi động cơ hoạt động vẫn còn rung động tƣơng đối.
Động cơ cũng gây ra tiếng ồn lớn.
Động cơ 5 thì với các chi tiết hoạt động của trục khuỷu, lực ma sát giữa các piston với xylanh không đều nên dễ bị mài mòn. Hai xupap của xylanh ở giữa thƣờng xuyên hoạt động để thải nhiên liệu cháy ra ngoài, nên tuổi thọ của xupap đó không đƣợc cao.
4. Khả năng sử dụng và phát triển của động cơ 5 thì
Động cơ 5 thì đƣợc phát triển và ứng dụng một cách rộng rãi trên nhiều lĩnh vực, với nguyên lý hoạt động và hình dáng gần giống với động cơ 4 thì. Động cơ có tỷ số nén cao, rất nhiều ƣu điểm lớn. Động cơ đƣợc ứng dụng làm máy phát điện cho các tòa nhà các công trình lớn, với công suất cao, tiết kiệm nhiên liệu hơn. Thực sự là một giải pháp tốt khi chọn động cơ 5 thì.
Động cơ 5 thì đƣợc ứng dụng trên các loại xe ô tô hiện nay, nó có thể sử dụng giống nhƣ một số động cơ 4 thì.
VI. ĐỘNG CƠ NEANDER MOTORS (Imagefilm Neander Motors)
Hình 106: Động cơ Neander Motors
1. Lịch sử hình thành và phát triển của động cơ Neander Motors
Động cơ Neander Motors là một động cơ đƣợc chạy bằng diesel là một động cơ đƣợc ứng dụng khá lâu trên các mô tô, với các tính năng vƣợt trội hơn so với những động cơ sử dụng diesel khác. Động cơ hoạt động trên hai xylanh với cộng nghệ trục khuỷu sáng tạo từ Neander Motors “động cơ có hai trục khuỷu” hay còn gọi là trục khủy kép. Động cơ hoạt động đồng bộ với hai cặp bánh răng của trục khuỷu đã khiến cho các vòng quay của trục khuỷu cùng tốc độ quay và ngƣợc chiều với nhau.
Ông “Ernst Neumann-Neander” đã thành lập công ty tại nƣớc Đức vào năm 1924. Công ty xây dựng với động cơ 150-1000cc JAP, ông đã thiết kế các khung Neander tƣơng lai. Năm 1928 công ty đã sản xuất 200 chiếc xe máy trƣớc khi ngừng sản xuất vào năm 1930.
Hình 107: Chếc xe đầu tiên được ứng dụng động cơ diesel Neander vào năm 1924
Nguồn: http://www.neander-motors.com/
Gần đây, tên động cơ Neander đã đƣợc áp dụng cho một chiếc xe gắn máy chạy băng diesel đƣợc sản xuất tại phía Bắc nƣớc Đức do công ty “Neander shark” hay “Neander Motors”. Chủ tịch hội đồng quản trị của công ty là ông “Lutz W.Lester” và rất nhiều doanh nhân, kỹ sƣ giỏi. Công ty đã ứng dụng và phát triển mở rộng nghiên cứu về loại động cơ này trên xe Motor. Với động cơ “Neander turbo Diesel” đây là động cơ diesel đƣơng cải tiến tăng áp. Động cơ chiếm thể tích 1340cc với cộng suất 112 mã lực tại 4200 vòng/phút, động cơ đƣợc chạy bằng không khí và dầu diesel đƣợc làm mát bằng hai xylanh thẳng
Hình 108: Nguyên mẫu đầu tiên của xe motor gắn động cơ Neander tăng áp
Nguồn: http://www.neander-motors.com/
Tính năng độc đáo nhất của động cơ này là sử dụng hai trục khuỷu hoạt động “trục khuỷu kép” hai thanh truyền đƣợc kết nối với mỗi piston. Theo công ty Neander Motors nói động cơ này hầu nhƣ loại bỏ đƣợc sự rung động khác với các động cơ chạy bằng diesel khác. Do các tính năng hoạt động của thanh truyền đối xứng với nhau, hai trục khuỷu quay ngƣợc chiều nhau và cả hai piston di chuyển lên và xuống đồng loạt.
Động cơ Neander vẫn đang đƣợc phát triển và cải tiến bởi công ty Neander Motors trong tƣơng lai.
2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ Neander Motors
2.1. Cấu tạo
Hình 109: Cấu tạo mặt cắt động cơ Neander Motors
Nguồn: http://www.neander-motors.com/
Động cơ Neander Motors với tính năng độc đáo “Trục khuỷu kép” và các chi tiết hoạt động truyền lực qua thanh truyền, trục khuỷu đều nhau. Giúp giảm đƣợc độ rung động và tăng tuổi thọ của các chi tiết.
Hình 110: Mô hình của động cơ Neander Motors
Nguồn: http://www.neander-motors.com/
Bảng 4: Cấu tạo các chi tiết của động cơ Neander Motors
Số thứ tự Tên chi tiết
1 Trục cam 1 và trục cam 2 2 Lò xo 3 Xupap nạp 4 Xupap xả 5 Piston 6 Thanh truyền (2 cặp) 7 Bánh răng trục khuỷu 8 Xích truyền động 9 Trục khuỷu 10 2 bánh răng trục khuỷu 11 Bánh răng trục dẫn động chính 12 Gối cam 13 Bánh răng cam
“Trục khuỷu kép”
Công nghệ của động cơ Neander Motors là một sự đổi mới độc đáo với các yêu cầu phức tạp của động cơ, hiệu suất động cơ cao. Một động cơ diesel hiện đại hoàn toàn bởi trục khuỷu kép. Các bánh răng của trục khuỷu kép đƣợc hoạt động đồng bộ và đƣợc liên kết với nhau và đƣợc liên kết với bánh răng trục dẫn động chính của động cơ.
Trục khủy kép có những đặc điểm sau:
Các bánh răng trục khuỷu kép đƣợc ăn khớp trực tiếp với nhau và hoạt động cùng tốc độ quay nhƣng ngƣợc chiều.
- Cân bằng đƣợc các lực quán tính khi quay.
- Cân bằng các lực giao động, cân bằng moment xoắn.
- Không có tác dụng phản ứng do xung moment xoắn ở bên ngoài của động cơ.
- Không có moment xoắn do hiệu ứng quán tính, đó là sự khác biệt lớn do động cơ hoạt động cân bằng.
- Tổn thất ma sát thấp, do piston dẫn hƣớng đƣợc đƣợc kết hợp cả hai thanh truyền “mỗi piston” lên trục khủy đều nhau.
Nhìn chung cấu tạo một số chi tiết của động cơ Neander Motors đều giống với động cơ 4 thì truyền thống.
Hình 111: Mô hình cấu tạo piston và trục khuỷu kép của động cơ Neander Motors
2.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ Neander Motors
Động cơ Neander Motors hoạt động dựa trên nguyên lý động cơ diesel 4 thì:
Hình 112: Hành trình nạp của động cơ Neander Motors
Nguồn: http://www.youtube.com/watch?v=iBz2TnzLDGg
Hình 113: Hành trình nén của động cơ Neander Motors
Hình 114: Hành trình nổ của động cơ Neander Motors
Nguồn: http://www.youtube.com/watch?v=iBz2TnzLDGg
Hình 115: Hành trình thải của động cơ Neander Motor
Với các trục khuỷu kép hoạt động đồng bộ và có cùng tốc độ quay ngƣợc chiều với nhau. Các cặp thanh truyền của từng piston hoạt động đối xứng nên đã làm mất đi lực quán tính ly tâm. Làm giảm độ rung động của động cơ.
Động cơ có thể sử dụng một xylanh hoặc hai xylanh.
Đối với động cơ Neander Motor tăng áp, đƣợc sử dụng hai xylanh và piston hoạt động song hành với nhau. Để có đƣợc tỷ số nén cao, quản lý số vòng quay của trục khuỷu kép đạt hiệu quả thì các piston trong động cơ này phải khác chu kỳ và hoạt động hợp lý. Nếu piston thứ nhất thực hiện quá trình nạp nén, thì piston còn lại thực hiện quá trình nổ xả.
Lợi thế:
Sức mạnh của động cơ diesel Neander đƣợc thể hiện trong moment xoắn tuyệt vời của nó. Lợi thế của động cơ Neander hơn hẳn động cơ xăng Gasoline ở những phút giây đầu khi động cơ hoạt động. Moment xoắn của động cơ Neander cao với 55 mã lực có thể cạnh tranh trực tiếp với các động cơ xăng dầu ở ngoài theo định hƣớng 70 mã lực.
Hình 116: Sơ đồ so sánh động cơ Neander Motor vs Gasoline
3. Ƣu điểm và nhƣợc điểm của động cơ Neander Motors
3.1. Ƣu điểm
Động cơ Neander Motors là một động cơ diesel nhỏ gọn mạnh mẽ với các tính năng vƣợt trội so với các động cơ diesel truyền thống.Động cơ có thể thay thế cho các động cơ diesel đa xylanh, ví dụ nhƣ cho máy phát điện hoặc xe hơi.
Các moment xoắn của động cơ Neander Motors giữa xylanh một và xylanh thứ hai bao gồm một giải công suất từ 12 đến 110 mã lực.
Chi phí sản xuất của động cơ Neander Motors thấp hơn do mức tiêu thụ của xylanh động cơ diesel Neander motors thấp. Thấp hơn xấp xỉ 35% mức tiêu thụ nhiên liệu so với động cơ xăng và xấp xỉ 10% so với động cơ nhiều xylanh chạy bằng diesel.
Ít khí thải CO2 , động cơ Neander Motors đã tối ƣu hóa khả năng tƣơng thích với môi trƣờng và trở thành mục tiêu quan trọng đối với mọi động cơ đốt trong.
Tiết kiệm nhiên liệu hơn và động cơ đã ứng dụng đƣợc nhiều trong các