levantrieu
Thành viên O-H
1.1. Động cơ đốt trong Động cơ đốt trong là một trong các loại động cơ nhiệt, biến đổi nhiệt năng của nhiên liệu thành cơ năng. Động cơ nhiệt hoạt động với hai quá trình cơ bản như sau: - Đốt cháy nhiên liệu, giải phóng hóa năng thành nhiệt năng và gia nhiệt cho môi chất công tác. Trong giai đoạn này xảy ra các hiện tượng lý hoá rất phức tạp. - Biến đổi trạng thái của môi chất công tác, hay nói cách khác, môi chất công tác thực hiện chu trình nhiệt động để biến đổi một phần nhiệt năng thành cơ năng. Trên cơ sở đó có thể phân loại động cơ nhiệt thành hai loại chính là động cơ đốt ngoài và động cơ đốt trong. Ở động cơ đốt ngoài, ví dụ máy hơi nước cổ điển trên tàu hỏa, hai giai đoạn trên xảy ra ở hai nơi khác nhau. Giai đoạn thứ nhất xảy ra tại buồng đốt và nồi xúp-de, kết quả được hơi nước có áp suất và nhiệt độ cao. Còn giai đoạn thứ hai là quá trình giãn nở của hơi nước trong buồng công tác và sinh công làm quay bánh xe. Ở động cơ đốt trong, hai giai đoạn trên diễn ra tại cùng một vị trí, đó là bên trong buồng công tác của động cơ. Hai loại động cơ nói trên đều có hai kiểu kết cấu, đó là động cơ kiểu piston và kiểu tuabin theo sơ đồ dưới đây, hình 1-1. Hình 1-1. Động cơ đốt trong thuộc họ động cơ nhiệt Do giới hạn của giáo trình, chúng ta chỉ xét động cơ đốt trong kiểu piston và từ đây gọi vắn tắt là động cơ đốt trong (ĐCĐT). Trong thực tế, động cơ kiểu tuabin là đối tượng khảo sát của chuyên ngành máy tuabin. 1.2. So sánh động cơ đốt trong với các loại động cơ nhiệt khác Ưu điểm Nhược điểm - Hiệu suất có ích e lớn nhất, có thể đạt tới 50% hoặc hơn nữa. Trong khi đó, máy hơi nước cổ điển kiểu piston chỉ đạt khoảng 16%, - Khả năng quá tải kém, cụ thể không quá 10% trong 1 giờ. - Tại chế độ tốc độ vòng quay nhỏ, mô men sinh ra không lớn. Do đó, động cơ không thể khởi Động cơ nhiệt Động cơ đốt ngoài Động cơ đốt trong Kiểu piston Kiểu tuabin Kiểu piston Kiểu tuabin Kiểu rô to Khoa cơ khí động lực Trang 4 tuabin hơi nước từ 22 đến 28%, còn tuabin khí cũng chỉ tới 30%. - Kích thước và trọng lượng nhỏ, công suất riêng lớn. Do đó, động cơ đốt trong rất thích hợp cho các phương tiện vận tải với bán kính hoạt động rộng. - Khởi động, vận hành và chăm sóc động cơ thuận tiện, dễ dàng. động được khi có tải và phải có hệ thống khởi động riêng. - Công suất cực đại không lớn. Ví dụ, một trong những động cơ lớn nhất thế giới là động cơ của hãng MAN B&W có công suất 68.520 kW (số liệu 1997), trong khi tuabin hơi bình thường cũng có công suất tới vài chục vạn kW. - Cấu tạo phức tạp, giá thành chế tạo cao. - Nhiên liệu cần có những yêu cầu khắt khe như hàm lượng tạp chất thấp, tính chống kích nổ cao, tính tự cháy cao... nên giá thành cao. Mặt khác, nguồn nhiên liệu chính là dầu mỏ ngày một cạn dần. Theo dự đoán, trữ lượng dầu mỏ chỉ đủ dùng cho đến giữa thế kỷ 21. - Ô nhiễm môi trường do khí thải và ồn. Tuy nhiên, với những ưu điểm nổi bật như trên, 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 người như giao thông vận tải, xây dựng, khai thác mỏ, nông nghiệp, ngư nghiệp...Theo các nhà khoa học, trong vòng nửa thế kỷ tới vẫn chưa có động cơ nào có thể thay thế được động cơ đốt trong. 1.3. Phân loại động cơ đốt trong §éng c¬ ®èt trong cã thÓ ®-îc ph©n lo¹i theo nhiÒu tiªu chÝ kh¸c nhau: Tiêu chí phân loại Các loại động cơ Theo cách thực hiện chu trình công tác Động cơ bốn kỳ: Là động cơ có chu trình công tác thực hiện sau bốn hành trình của piston hay hai vòng quay của trục khuỷu. Động cơ hai kỳ: Là động có chu trình công tác thực hiện sau hai hành trình của piston hay một vòng quay của trục khuỷu. Theo nhiên Động cơ nhiên liệu lỏng: như xăng, diesel, cồn pha xăng hoặc diesel, dầu thực vật... Động cơ nhiên liệu khí: Nhiên liệu khí bao gồm: khí thiên nhiên (Compressed Natural Gas - CNG), khí hoá lỏng (Liquidfied Khoa cơ khí động lực Trang 5 liệu Petroleum Gas - LPG), khí lò ga, khí sinh vật (Biogas)... Động cơ nhiên liệu kép (Dual Fuel) ví dụ như động cơ gas+ xăng, ga + diesel… Động cơ đa nhiên liệu (Multi Fuel) như động cơ có thể dùng được cả diesel và xăng, hoặc động cơ dùng cả xăng và khí đốt. Theo phương pháp hình thành khí hỗn hợp Hình thành hỗn hợp bên ngoài xylanh như động cơ xăng dùng bộ chế hòa khí hoặc hệ thống phun xăng gián tiếp (phun vào đường nạp). Hình thành hỗn hợp bên trong xylanh như động cơ diesel hay động cơ phun xăng trực tiếp (Gasoline Direct Injection - GDI) vào xy lanh. Theo phương pháp đốt cháy hỗn hợp Động cơ đốt cháy cưỡng bức như động cơ xăng. Động cơ cháy do nén như động cơ diesel. Theo phương pháp nạp Động cơ không tăng áp: không khí hay hỗn hợp được hút vào xy lanh bởi sự chênh áp giữa đường nạp và xylanh. Động cơ tăng áp: không khí hay hỗn hợp được nén trước khi nạp vào xylanh. Theo tốc độ trung bình của piston Gọi tốc độ trung bình của piston là cm. Dễ dàng tính được 30 S.n cm (m/s) với S là hành trình piston (m) và n là tốc độ vòng quay của trục khuỷu (v/ph). Theo cm người ta phân loại động cơ như sau: Động cơ tốc độ thấp 3,5 m/s cm 6,5 m/s Động cơ tốc độ trung bình 6,5 m/s cm 9 m/s Động cơ cao tốc cm 9 m/s Theo dạng chuyển động của piston Động cơ piston tịnh tiến thường gọi ngắn gọn là động cơ piston. Đa số động cơ đốt trong là động cơ piston. Động cơ piston quay hay động cơ rôto do Wankel phát minh năm 1954 nên còn gọi là động cơ Wankel. Khoa cơ khí động lực Trang 6 Theo cách bố trí xi lanh Động cơ thẳng hàng Động cơ chữ V Động cơ đối đỉnh Động cơ hình sao Hình 1-2: Động cơ thằng hàng Hình 1-3: Động cơ chữ V Hình 1-4: Động cơ đối đỉnh Hình 1-5: Động cơ hình sao Khoa cơ khí động lực Trang 7 1.4. Cấu trúc và nguyên lý làm việc của động cơ đốt trong loại trục khuỷu – thanh truyền 1.4.1. Sơ đồ nguyên lý và cấu trúc cơ bản Cấu tạo của động cơ đốt trong bao gồm: a. Cơ cấu sinh lực gồm: 1. Bộ hơi: Xylanh, cụm piston, nắp máy… 2. Bộ phận chuyển động và dự trữ năng lượng: Trục khuỷu, thanh truyền, bánh đà. b. Các hệ thống và cơ cấu khác: 1. Cơ cấu phối khí: Cụm xupap hút và xả, trục cam, cơ cấu dẫn động trục cam. 2. Hệ thống bôi trơn: Cácte dầu, bơm dầu, lọc dầu, các tuyến dầu, két làm mát dầu… 3. Hệ thống làm mát:Két nước,bơm nước, áo nước, van hằng nhiệt, đường ống nước… 4. Hệ thống cung cấp nhiên liệu: Hệ thống nhiên liệu dùng chế hòa khí hoặc phun xăng, hệ thống nhiên liệu đông cơ diesel. 5. Hệ thống điện động cơ: Hệ thống khởi động, hệ thống cung cấp điện… Cấu trúc cơ bản Lược đồ Hình 1-6: Cấu trúc động cơ 4 kỳ 1. Trục khuỷu 2. Thanh truyền 3. Xi lanh 4. Piston 5. Xuppap nap 6. Họng hút 7.Trục cam nạp 8.Trục cam xả 9. Xuppap xả 10.Nắp máy 11. Đường ống xả 1.4.2. Các khái niệm và thông số cơ bản của động cơ đốt trong Dựa vào lược đồ hình 1-7. Ta có thể đưa ra một số khái niệm cơ bản sau: 1 2 3 4 6 5 § CT § CD S D Hình 1-7: Lược đồ động cơ bốn kỳ 1. Trục khuỷu 2. Thanh truyền, 3. Piston 4. Xuppáp thải(xả) 5. Vòi phun (động cơ diesel) hay bugi (động cơ xăng), 6. Xuppáp nạp ĐCT. Điểm chết trên ĐCD. Điểm chết dưới S. Hành trình piston D. Đường kính xy lanh Khoa cơ khí động lực Trang 8 Quá trình công tác là tổng hợp tất cả biến đổi của môi chất công tác xảy ra trong xylanh của động cơ và trong các hệ thống gắn liền với xylanh như hệ thống nạp - thải. Chu trình công tác là tập hợp những biến đổi của môi chất công tác xảy ra bên trong xylanh của động cơ và diễn ra trong một chu kì. Kỳ là một phần của chu trình công tác xảy ra khi piston dịch chuyển một hành trình. Điểm chết: Trong hoạt động của cơ cấu sinh lực có hai khái niệm điểm chết: điểm chết của píston và điểm chết của trục khuỷu. Điểm chết của píton là điểm mà tại đó piston có vận tốc bằng 0, hoặc diễn giải theo một cách khác: là điểm píston ở vị trí cao nhất hoặc thấp trong lòng xi lanh. Như vậy píston có 2 điểm chết (hình 1.8)là điểm chết trên (ĐCT) và điểm chết dưới (ĐCD).Điểm chết trên của piston là điểm mà piston cách xa đường tâm trục khuỷu nhất.Điểm chết dưới của piston là điểm mà piston cách tâm trục khuỷu một khoảng ngắn nhất. Hình 1.-8. Các vị trí điểm chết của ĐCĐT Điểm chêt của trục khuỷu cũng có hai vị trí là điểm chết trên (ĐCT) và điểm chết dưới (ĐCD), là các điểm mà tại đó đường tâm của má khuỷu trùng với đường tâm của thanh truyền. Hành trình piston (S): Là khoảng cách giữa hai điểm chết (m). Thể tích công tác Vh là khoảng không gian trong lòng xilanh được tính từ mặt đỉnh piston ở ĐCD tới mặt đỉnh piston ở ĐCT. Thể tích buồng cháy Vc là khoảng không gian trong lòng xilanh được tính từ mặt đỉnh piston ở ĐCT tới bề mặt của vòm nắp máy bao kín phía trên xi lanh. Thể tích toàn phần Va là khoảng không gian trong lòng xilanh được tính từ mặt đỉnh piston ở ĐCD tới bề mặt của vòm nắp máy bao kín phía trên xi lanh . Khoa cơ khí động lực Trang 9 Tỷ số nén là tỷ số giữa thể tích lớn nhất( thể tích toàn phần Va) và thể tích nhỏ nhất (thể tích buồng cháy Vc ): c h c h c min max V V 1 V V V V V (1.1) 1.4.3. Nguyên lí làm việc của động cơ 4 kỳ không tăng áp Động cơ bốn kỳ có chu trình công tác được thực hiện sau bốn hành trình của piston hay hai vòng quay của trục khuỷu. 1.4.3.1. Nguyên lí làm việc của động cơ xăng 1 xylanh Hành trình thứ nhất: hành trình nạp( HÚT) ,hình 1-10 Piston đi từ ĐCT xuống ĐCD tạo nên độ chân không trong xylanh. Hoà khí từ đường nạp gọi là khí nạp mới được hút vào xylanh qua xuppáp nạp đang mở và hoà trộn với khí sót của chu trình trước tạo thành hỗn hợp công tác. Xuppáp nạp mở sớm một góc là 1 tại điểm d1 trước ĐCD để tăng tiết diện lưu thông của dòng khí nạp. Hình 1-10. Hành trình nạp (Động cơ xăng) Hình 1-11: Hành trình nén (Động cơ xăng) Hình 1-13: Hành trình xả (Động cơ xăng) Hình 1-12: Hành trình cháy (Động cơ xăng) Hình 1-9: Đồ thị các quá trình làm việc của động cơ bốn kỳ không tăng áp a. Đồ thị công b. Đồ thị pha Khoa cơ khí động lực Trang 10 Hành trình thứ hai: hành trình NÉN , hình 1-11 Piston đi từ ĐCD lên ĐCT. Xuppáp nạp đóng muộn một góc 2 tại điểm d2 trước ĐCT nhằm tận dụng quán tính của dòng khí nạp để nạp thêm. Hỗn hợp công tác bị nén khi hai xuppáp cùng đóng dẫn tới tăng áp suất và nhiệt độ trong xylanh. Tại điểm c’gần ĐCT tương ứng với góc s, bugi bật tia lửa điện. Góc s được gọi là góc đánh lửa sớm (động cơ xăng). Sau một thời gian chuẩn bị rất ngắn, quá trình cháy thực sự diễn ra làm cho áp suất và nhiệt độ trong xylanh tăng lên rất nhanh. Hành trình thứ ba: hành trình cháy- giãn nở (NỔ ), hình 1-12 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 xylanh tăng nhanh. Khí cháy giãn nở sinh công. Gần cuối hành trình, xuppáp thải mở sớm một góc 3 tại điểm b’ để thải tự do một lượng đáng kể sản vật cháy ra khỏi xylanh vào đường thải. Hành trình thứ tư: hành trình thải (XẢ), hình 1-13 Piston đi từ ĐCD lên ĐCT, sản vật cháy bị thải cưỡng bức do piston đẩy ra khỏi xylanh. Để tận dụng quán tính của dòng khí nhằm thải sạch thêm, xuppáp thải đóng muộn sau ĐCT một góc 4 ở hành trình nạp của chu trình tiếp theo. 1.4.3.2. Nguyên lí làm việc của động cơ diesel 4 kỳ1 xylanh Nguyên lý làm việc của động cơ diesel 4 kỳ cũng tương tự như động cơ xăng , gồm các kỳ HÚT-NÉN-NỔ-XẢ, nhưng có một số nét khác biệt: Hành trình nạp( HÚT) , hình 1-14 Piston đi từ ĐCT xuống ĐCD, xuppap nạp mở, xuppap thải đóng. Không khí được hút vào trong xylanh qua xuppap nạp. Xuppap nạp mở sớm một góc 1 trước ĐCT để tăng lượng không khí nạp vào xylanh. Hình 1-14. Hành trình nạp (Động cơ diesel) Hình 1-15. Hành trình nén (Động cơ diesel) Hình 1-17. Hành trình xả (Động cơ diesel) Hình 1-16: Hành trình cháy (Động cơ diesel) Khoa cơ khí động lực Trang 11 Hành trình NẾN ,hình 1-15 Piston đi từ ĐCD lên ĐCT, các xuppap đóng kín, không khí trong xylanh bị nén lại tới nhiệt độ và áp suất cao, nhiệt độ buồng cháy động cơ diesel lúc này khoảng 500- 8000C. Cuối hành trình nén, vòi phun phun nhiên liệu vào trong buồng cháy của động cơ. Hành trình cháy- giãn nở ( NỔ), hình 1-16 Nhiên liệu ( dầu diesel ) áp suất cao( 115kg/cm2- 1900kg/cm2) phun vào không khí được nén đến áp suất và nhiệt độ cao trong buồng cháy nên tự bốc cháy. Quá trình cháy sinh công đẩy piston đi xuống ĐCD. Cuối hành trình cháy, xuppap thải mở sớm một góc 2 trước ĐCD nhằm tận dụng quán tính của dòng khí để thải một phần khí cháy ra ngoài. Hành trình thải( XẢ), hình 1-17 Piston đi từ ĐCD đến ĐCT, xuppap thải mở, khí cháy được đẩy ra ngoài qua xuppap thải. Xuppap thải đóng sau ĐCT một góc 3 nhằm mục đích thải hết sản vậ
