VI. Đông cơ đốt trong
1. Động cơ dot trong
Động cơ đốt trong là một loại động cơ nhiệt tạo ra công cơ học bằng cách đốt nhiên liệu bên trong
động cơ. Các loại động cơ sử dung dòng chảy dé tạo công thông qua đốt cháy như tuốc bin khí va các động cơ đốt bên ngoài xy lanh thi đụ như máy hơi nước hay động co Stirling không thuộc vẻ động cơ đốt trong.
Nguyên tắc hoạt động cơ bản:
Hỗn hợp không khí và nhiên liệu được đốt trong xy lanh của động cơ đốt trong. Khi đốt cháy nhiệt độ tăng làm cho khí đốt giãn nở tạo nên áp suất tác dụng lên một pit tông đây pit tông này di chuyển
đi.
Có nhiều loại động cơ đốt trong khác nhau, một phần sử dụng các chu kỳ tuần hoàn khác nhau. Tuy vậy tat cá các động cơ đốt trong đều lặp lại trong một chu trình tuần hoàn chu ky làm việc bao gồm
bốn bước: nạp, nén, nô vả xả. Xa và nạp là hai bước dùng dé thay khí thai bằng khí mới. Nén và nỗ dùng dé biến đổi năng lượng nhiệt do nhiên liệu cháy thành năng lượng cơ (động năng trong chuyên
động quay).
2. Phân loại động cơ dot trong
Trong lịch sử chế tạo động cơ đã có rất nhiều phương án được phác thảo vả hiện thực nhưng lại
không phủ hợp với các cách phan loại dưới day, thí du như động cơ Otto với bộ phun nhiên liệu trực
tiếp hay các loại động cơ hoạt động theo nguyên tắc của động cơ Diesel nhưng lại có bộ phận đánh lửa. Các phương pháp chế tạo lại có thê được kết hợp rất đa dạng, thí dụ như động cơ có dung tích
nhỏ với pit tông tron và điều khiển qua khe hở theo nguyên tắc Otto hay động cơ diesel 2 thì có dung tích lớn với bộ điều khién bang van (động cơ dicsel của tàu thủy). Phan phân loại tong quát này không liệt kê những trường hợp đặc biệt nhằm dé tránh sự khó hiểu.
a. Theo quy trình nhiệt động lực học
ô Động co Otto
Dong cơ xăng hay động co Otto (lay theo tên của Nikolaus Otto) là một dang động cơ đốt trong,
thông thường được sử dụng cho ô tô, máy bay, các máy móc di động nhỏ như may xén cỏ hay xe
máy cũng như làm động cơ cho các loại thuyền và tàu nhỏ.
Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa
Nhiên liệu của của các động cơ xăng là xăng. Phổ biến nhất của động cơ xăng là động cơ bốn thì.
Việc đốt cháy nhiên liệu được diễn ra trong buông đốt bởi một hệ thống đánh lửa được tắt mở theo
chu ky. Nơi đánh lửa là bugi có điện ap cao. Động cơ hai thì cũng được sử dụng trong các ứng dụng
nhỏ hơn, nhẹ hơn, và rẻ tiền hơn nhưng nó không hiệu quả trong việc sử đụng nhiên liệu.
Nguyên tắc hoạt động của động co Otto:
Chuyên động của pit tông ở thì thứ nhất, hai và bon là nhờ vào năng lượng được tích trữ bởi bánh đả gắn ở trục khuỷu trong thì thứ ba. Một động cơ bốn thi vì thé có góc đánh lửa là 720° tính theo góc quay của trục khuỷu tức là khi trục khuyu quay hai vòng thì mới có một lần đánh lửa. Có thêm nhiều xy lanh thì góc đánh lửa sẽ nhỏ đi, năng lượng đốt được đưa vào nhiều hơn trong hai vòng
quay của trục khuỷu sẽ làm cho động cơ chạy êm hơn.
Do trong lúc khởi động chưa có đà nên trục khuyu phải được quay từ bên ngoài bằng một thiết bị khởi động như đây (máy cưa, động cơ của ca nô), cần khởi động (mô tô), tay quay khởi động ở các ô tô cô hay một động cơ điện nhỏ trong các mô tô vả 6 tô hiện đại.
Việc thay thé khí thai bằng hỗn hợp khí mới được điều khién bằng trục cam. Trục nay được gắn với trục khuyu, quay có giảm tốc 1- 2, đóng va mở các van trên đầu xy lanh của động cơ. Thời gian trục
khuỷu đóng và mở các van được điều chỉnh sao cho van nạp và van xa được mở củng một lúc trong một thời gian ngắn khi chuyên từ thi xả sang thì nạp. Khí thải thoát ra với vận tốc cao sẽ hút khí mới vào buông đốt nhằm nạp khí mới vào xy lanh tốt hon va tăng áp suất đốt.
Một trong những thành phan của các động cơ xăng cũ là bộ chế hòa khí (hay còn gọi là cacbuaratơ).
nó trộn xăng lẫn với không khí. Trong các động cơ xăng sau này, nó đã được thay bằng việc phun
nhiên liệu.
Động cơ xăng được phát triển vào cuối thé kỷ 19 bởi Nikolaus August Otto, dựa trên một động cơ ba thì có công suất yếu hon rất nhiều của Etienne Lenoir. Thay đổi cơ bản là thêm vào một thì nén khí. Thiết kế đầu tiên của Otto không có nhiều điểm tương tự với các động cơ ngảy nay. Day là một động cơ ở ngoài không khí, tức là hỗn hợp khí và nhiên liệu nỗ day pittông bắn ra ngoài bay tự do
và chỉ trên đường quay lại pittông (hay ap suất không khí) mới tạo ra công.
Nam 1876, Otto đăng ký bang phát minh tại Đức cho một động cơ đốt trong bao gồm ca nguyên tắc
bon thì.
Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa
Gottlieb Daimler và Carl Benz tai Đức va Siegfried Marcus (ở Wien (Ao) đã độc lập với nhau chế
H.A. 8. Nikolaus August Otto và động co Otto
¢ Dộng co Diesel
Động cơ Diesel là một loại động co đốt trong. Sự cháy của nhiên liệu - dau diesel, xảy ra trong buông đốt khi pittong đi tới gan điểm chết trên trong kỳ nén, là sự tự cháy dưới tác động của nhiệt
độ và áp suất cao của không khí nén.
Động cơ Diesel đo một kỳ sư người Đức, ông Rudolf Diesel, phát minh ra vào ndm1892. Chu trình làm việc của động cơ cũng được gọi lả chu trình Diesel.
Do những ưu việt của nó so với động cơ xăng, như hiệu suất động cơ cao hơn hay nhiên liệu điesel rẻ tiên hơn xăng, nên động cơ Diesel được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, đặc biệt
trong ngảnh giao thông vận tải thủy và vận tải bộ.
b. Theo cách thức hoạt động
Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa
e Phuong pháp 4 thì:
Mỗi một giai đoạn hoạt động diễn ra trong một thì. Một thì ở đây là một lần đây của pit tông, tức 1a một lần chuyên động lên hay xuống của pít tông. Trong một chu kỳ hoạt động 4 thì, trục khuỷu quay 2 lan. Việc thay đổi khí được đóng kín có nghĩa là hỗn hợp khí mới va khí thai được tách hoàn
toàn ra khỏi nhau. Trong thực tế hai khí này tiếp xúc với nhau trong một khoảng thời gian ngắn.
¢ Phuong pháp 2 thi:
Trong phương pháp hai thi ca bốn giai đoạn đều hoạt động nhưng chỉ trong 2 lần chuyển động của
pit tông (2 thì) vi một phan cua hai giai đoạn nạp va nén được tiên hanh ra bên ngoài xy lanh. Trục
khuyu chi quay một vỏng trong một chu kỳ làm việc. Thay đôi khí mở tức la hai hỗn hợp khi mới vả khí thai bị trộn lan với nhau một phan.
300 51 Seb =4
Moxiel of 0 tour-strake engine Model of 4 tero-stroke engine
H.A. 10. Động co 4 thi va động cơ 2 thi.
Ung dụng:
Động cơ 2 thì được sử dụng phan lớn ở các ứng dụng mà giá tiền của động cơ (cau tạo đơn giản) va
mật độ năng lượng cao quan trọng hơn là tiêu thụ năng lượng và bảo vệ môi trường, trước tiên lả
cho những động cơ có dung tích nhỏ như ở các loại xe gắn máy nhỏ, máy cua, mô hình có động cơ.
trong thé thao đua mô tô và các động cơ cho tàu thủy.
e. Theo cách tạo hỗn hợp không khí vả nhiên liệu e Tạo hỗn hợp bên ngoài:
Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa
Nhiên liệu vả không khí được hòa vào nhau ở ngoài xy lanh, sau đó được đưa vào xy lanh và nén
lại. Đại diện đặc trưng cho loại nảy là động cơ Otto có bộ chế hòa khí hay động cơ hai thì. Nếu nhiệt độ động cơ qua cao, thời điểm đánh lửa quá sớm hay vi tự bốc cháy hỗn hợp này có thé gây ra nỗ không kiểm soát được lam giảm công suất và gây hư hại cho động cơ. Trong lúc được nén lại nhiên
liệu phải bốc hơi một phan đẻ có thé cháy rất nhanh ngay sau khi đánh lửa, tạo vận tốc vòng quay
nhanh.
¢ Tạo hỗn hợp bên trong:
Chỉ có không khí được đưa vào vả nén lại trong xy lanh, nhiên liệu được phun vào sau đó. Do
không có nhiên liệu nên không xảy ra việc tự cháy vì thé ma có thé tăng hiệu suất bằng cách tăng độ
nén nhiêu hơn. Đánh lửa bằng cách tự bốc cháy (động cơ diesel) hay bằng bộ phận đánh lửa (động cơ Otto có bộ phận phun liêu nhiệu trực tiếp hay ở các động cơ có thé dùng nhiều loại nhiên liệu khác nhau). Sau khi được phun vào nhiên liệu cần một thời gian nhất định để bốc hơi vì thé ma vận tốc vòng quay bị giới hạn.
d. Theo phương pháp đốt
Hỗn hợp khí được đốt bang bộ phận đánh lửa (bugi) trong các động cơ Otto, tốt nhất là ngay trước điểm chết trên.
Trong các động cơ diesel hỗn hợp đốt bằng cách tự bốc cháy. Không khí được nén rất mạnh và ngay trước điểm chết trên nhiên liệu được phun vào. Vì ở nhiệt độ rất cao nên nhiên liệu tự bốc cháy.
VH. Động cơ đốt ngoài
Động cơ đốt ngoải là một loại động cơ tạo ra công cơ học bằng cách đốt nhiên liệu bên ngoài xilanh động cơ. Động cơ đốt ngoài gồm các loại động cơ như: động cơ hơi nước, động cơ Stirling, động cơ
Cyclone...
1. Động cơ hơi nước 2. Động cơ Stirling
3. Động cơ Cyclone
a. Lịch sử ra đời
Công ty khai sinh ra động cơ đa nhiên liệu đốt ngoải là Cyclone Power Technologies đặt tru sở tại
thành phố Pompano Beach, bang Florida do ông Harry Schoell làm giám đốc. Động co Cyclone 1a kết quả của nhiều năm trời nghiên cứu, nhờ đó ông Schoell đã được cấp 2 bằng sáng chế và II bằng
khác.
Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa
Từ khi ra đời, động cơ đa nhiên liệu đốt ngoài Cyclone đã tạo lên một hình anh mới mẻ trong thé giới xe hơi. Kích thước nhỏ gọn, hiệu quá tôi ưu và phù hợp với công nghệ hiện đại chính là những
lợi thé của Cyclone.
H.A. 11. Động cơ Cyclone đốt chảy nhiên liệu trong khoang ngoài dưới áp suất khí quyền và bên ngoài xi-
lanh.
b. Bản chất
Cyclone là loại động cơ đốt ngoài tái sinh nhiệt theo chu trình Rankine. Nói một cách cụ thẻ, loại
động cơ này có khả năng biến nhiệt thành công năng. Nguyên tắc hoạt động của Rankine Cycle hiện đang được sử dụng đề sản xuất ra 80% nguồn điện cho thế giới hiện đại gói trọn trong một đặc điểm duy nhất: chạy bằng mọi loại dung dịch.
Phù hợp cho động cơ Cyclone, đặc điểm này đồng nghĩa với khả năng sử dụng mọi loại nhiên liệu miễn 1a sinh nhiệt.
c. Nguyên tắc hoạt động
Nguyên tắc của loại động cơ đốt trong truyền thong là đốt cháy nhiên liệu đưới áp suất cao bên
trong xi-lanh. Trái lại, động cơ Cyclone đốt nhiên liệu trong khoang ngoài dưới áp suất khí quyên bên ngoai xi lanh. Nhiệt sinh ra từ quá trình đốt nhiên liệu được sử dụng để biến nước thành hơi.
Như vậy có nghĩa là động cơ chạy bằng hơi nước chứ không phải bằng nhiên liệu.
Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa
Murvine
—
H.A. 12. Nguyên tắc hoạt đông của Cyclone dựa theo chu trình Rankine với
đặc điểm thú vị nhất là chạy bằng mọi loại dung dich.
Theo hang Cyclone Power, nguyên liệu cần thiết dé tạo hơi nước không nhất thiết phải là nhiên liệu.
Động cơ Cyclone có thé sử dụng bat cứ thứ gì từ vỏ cam, tảo đến nhiên liệu hóa thạch như butan, khí tự nhiên và than bột. Quá trình bắt đầu từ khâu nguyên tử hóa nhiên liệu và bơm nó vào trong buông đốt ly tâm. Giống như mọi loại động cơ khác, bugi sẽ đốt cháy nhiên liệu. tạo ra ngọn lửa
xoay xung quanh cuộn đây nhiệt. Nước chứa trong bản thân cuộn dây nhiệt sẽ được chuyển hóa
thành hơi chỉ trong vòng Š giây.
Sau đó, hơi nước sản sinh sẽ truyền tới 6 xi-lanh đưới áp suất rất lớn, làm pittong chuyên động tương tự trong động cơ thông thường. Một điểm tha vị của công nghệ này là động cơ không can bat cứ dung địch bôi tron nao dé hoạt động. Nước sẽ đóng vai trỏ là nhiên liệu hoạt động và dau bôi trơn. Bên cạnh đó, động cơ cũng không cần đi kèm bộ khởi động do cách thiết ke đặc biệt của hệ thông van.
Các pittong chuyển động xuống nhờ áp lực của hơi nước sẽ xoay quanh vòng bi hình sao, từ đó xoay trục khuyu. Động cơ được nối trực tiếp với hệ dẫn động. bỏ qua hộp số, nhờ đó tăng mô men xoắn ngay từ vòng quay đầu tiên.
Sau khi hoan thành nhiệm vụ của mình và đây pittong xuống, hơi nước đi qua cửa xả hướng đến bộ ngưng dé chuyên về thành nước. Nước tập trung trong lòng chảo tring cuối bộ ngưng dé chuẩn bị một chu kỳ mới. Bom sẽ đưa nước tử long chảo trũng tới cuộn day nhiệt va bắt đầu quá trình tiếp
theo.
Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa
H.A. 13. Ông Harry Schoell - Giám đốc của công ty Cyclone Power Technologies đã được cắp hai bằng sáng chế nhờ phát minh ra động
cơ Cyclone.
d. Ứng dụng
Sau khi tìm hiểu về nguyên tắc hoạt động của loại động cơ khá ấn tượng nảy, chúng ta sẽ bàn đến các ứng dung của nó trong thực tế. Nhà sản xuất đang dy định cho ra đời 5 phiên ban của động cơ
Cyclone: Mark II, III, VI, WHE va Solar 1. Loại dùng trong nganh công nghiệp xe hơi là Mark V
với công suất gan 100 mã lực rat lý tưởng cho dong xe chờ khách còn Mark VỊ sở hữu công suất
330 mã lực sẽ dùng trên xe tải và xe trọng tải lớn.
Động cơ Cyclone chạy bằng mọi loại dung dịch miễn là có bugi đánh lửa và sinh nhiệt. Về mặt lý thuyết, lượng nước nhỏ sử dụng đẻ chạy pittong không cần phải thay. Động cơ không cần sự có mặt của đầu bôi tron, bom dau, bộ khởi động và ca hộp số. Sự vắng mặt của những bộ phận không thé thiếu trong dòng xe hiện dai ngày nay cũng đông nghĩa với chi phí sản xuất thấp cho mẫu xe ứng
dụng động cơ Cyclone.
Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa
H.A. 14. Nhờ đặc tính không thai ra khí động va sử dụng nước lam nhiên liệu, Cyclone hứa hẹn sẽ 1a loại động cơ cực thân thiện với môi trường.
Động co Cyclone có the hoạt động bang bat cứ loại nhiên liệu sinh học nào ma không can trộn lẫn với nhiên liệu hóa thạch. Không dau bôi trơn cũng có nghĩa là không can thay dầu. Nhiệt độ đốt cháy thấp trong động cơ sẽ loại bỏ nguy cơ sản sinh khi NO, độc hại.
Bên cạnh đó, chúng ta cũng nên nhắc đến một số nhược điểm của động cơ Cyclone. Nói một cách trung thực, động cơ Cyclone gan như không có bat cứ nhược điểm nào ngoai tiếng ồn. Chính động cơ Cyclone đã gióng lên một hồi chuông mới mẻ trong thé giới xe hơi. Kích thước nhỏ gọn, hiệu quả tối ưu và phủ hợp với công nghệ hiện đại chính là những lợi thế không thẻ chối cãi của
Cyclone.
VHI. Một số chu trình nhiệt động lực học
!. Chu trình Carnot
Chu trình Carnot là một chu trình nhiệt động lực học được nghiên cứu bởi Nicolas Léonard Sadi
Camot và sau đó là Benoit Paul Émile Clapeyron. Các nghiên cứu này có mục đích là tìm kiếm một
chu trình nhiệt động lực học có hiệu suất cao nhất, và chu trình Carnot đã được chứng minh là chu trình dành cho các động cơ nhiệt hay máy lạnh có hiệu năng tốt nhất. Đây cũng là nội dung của định
lý Carnot.
Chu trình Carnot cũng là một chu trình thuận nghịch. Người ta cũng đã chứng minh rằng mọi chu trình nhiệt động lực học thuận nghịch đều là chu trình kết hợp của các chu trình Carnot nhỏ hơn.
Trong số các chu trình hoạt động cla máy nhiệt thì chu trình Carnot có ý nghĩa đặc biệt hơn cả. Day
là một chu trình gôm hai qua trình đăng nhiệt và hai qua trình đoạn nhiệt kế tiếp xen kẽ nhau (Hình)