Bài 18: Nguyên lí làm việc của động cơ đốt trong | Công Nghệ Công Nghệ Cơ Khí | Chương V: Động cơ đốt trong - Lớp 11 - Kết Nối Tri Thức Với Cuộc Sống

(Trang 87)

Hình 18.1

Em hãy quan sát Hình 18.1 và cho biết nếu trục khuỷu quay theo chiều mũi tên, pít tông sẽ chuyển động lên trên hay xuống dưới; thể tích, nhiệt độ và áp suất phía trên đỉnh pít tông (phần tô màu xanh) thay đổi thế nào?

I – MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1. Điểm chết

Điểm chết là vị trí của pít tông mà tại đó pít tông đồi chiều chuyển động. Có hai điểm chết, gồm:

- Điểm chết trên (ĐCT) là vị trí mà tại đó đỉnh pít tông xa tâm trục khuỷu nhất.

- Điểm chết dưới (ĐCD) là vị trí mà tại đó đỉnh pít tông gần tâm trục khuỷu nhất.

2. Hành trình của pít tông (S)

Hành trình của pít tông là quãng đường di chuyển của pít tông giữa hai điểm chết. Khi pít tông dịch chuyển một hành trình S thì trục khuỷu sẽ quay được một nửa vòng (tương ứng góc quay 180°). Như vậy, nếu gọi R là bán kính quay của trục khuỷu thì hành trình S được tính theo biểu thức:

S = 2.R              (18.1)

3. Thể tích buồng cháy (V_c)

Thể tích buồng cháy là không gian được giới hạn bởi nắp máy, xi lanh và đỉnh pít tông khi pít tông ở ĐCT.

4. Thể tích công tác của xi lanh (V_s)

Thể tích công tác của xi lanh là không gian được giới hạn bởi hai điểm chết. Với xi lanh có đường kính là D thì thể tích công tác (V) được tính theo biểu thức:

              (18.2)

(Trang 88)

5. Thể tích toàn phần (V_a)

Thể tích toàn phần là không gian được giới hạn bởi nắp máy, xi lanh và đỉnh pít tông khi pít tông ở ĐCD. Khi đó thể tích toàn phần (V_a) được tính theo biểu thức:

V_a = V _c+ V_s              (18.3)

6. Thể tích công tác của động cơ (V_n)

Thể tích công tác của động cơ là tổng thể tích công tác của các xi lanh trong động cơ nhiều xi lanh. Với i là số xi lanh của động cơ thì thể tích của động cơ (Vn) được tính theo biểu thức: V_h=V_s x i              (18.4)

7. Tỉ số nén của động cơ (ε)

Tỉ số nén là tỉ số giữa thể tích toàn phần và thể tích buồng cháy.

              (18.5)

8. Chu trình công tác

Chu trình công tác là tổng hợp các quá trình (thay đổi môi chất trong xi lanh như nạp, nén, nổ, xà) diễn ra liên tiếp để động cơ thực hiện biến đổi hoá năng thành cơ năng.

Hình 18.2. Các thể tích V_c, V_s và V_a theo vị trí của pít tông trong xi lanh

9. Kì

Kì là một phần của chu trình công tác của động cơ đốt trong khi pít tông thực hiện một hành trình S.

Như vậy, động cơ 4 kì là động cơ có chu trình công tác được diễn ra trong 4 hành trình của pít tông (hai vòng quay của trục khuỷu).

Động cơ 2 kì là động cơ có chu trình công tác diễn ra trong hai hành trình của pít tông (một vòng quay của trục khuỷu).

Khám phá

(Trang 89)

Luyện tập

1. Tính thể tích công tác của một xi lanh khi biết thể tích công tác của động cơ 4 xi lanh là 2,4 lít.

2. Tính thể tích công tác của động cơ 4 xi lanh khi biết đường kính của mỗi xi lanh là 80 mm và bán kính quay của trục khuỷu là 75 mm.

II – NGUYÊN LÍ LÀM VIỆC

1. Nguyên lí làm việc của động cơ xăng 4 kì

Khi động cơ làm việc, pít tông chuyển động tịnh tiến trong xi lanh, còn trục khuỷu quay theo chiều mũi tên như thể hiện trên Hình 18.3. Chu trình làm việc của động cơ 4 kì gồm có bốn hành trình: nạp, nén, nổ và thải; trong đó chỉ có một hành trình sinh công (nổ).

Khám phá

Hình 18.3. Sơ đồ chu trình làm việc của động cơ xăng 4 kì

a) Kì nạp (quá trình nạp)

Pít tông dịch chuyển từ ĐCT đến ĐCD, trục khuỷu quay vòng (từ 00 đến 180° góc 2 quay trục khuỷu), xu páp nạp mở, xu páp thải đóng, áp suất trong xi lanh giảm (tạo chênh lệch áp suất trong xi lanh và đường nạp), hoà khí (xăng và không khí) được hút vào xi lanh.

b) Kì nén (quá trình nén)

Pít tông dịch chuyển từ ĐCD đến ĐCT, trục khuỷu quay vòng tiếp theo (từ 180° đến 2 360° góc quay trục khuỷu), xu páp nạp và xu páp thải đều đóng, hỗn hợp xăng và không khí (hoà khí) trong xi lanh bị nén lại, áp suất và nhiệt độ tăng lên. Cuối kì nén khi pít tông gần đến ĐCT, bu gi của hệ thống đánh lửa sẽ phóng tia lửa điện đốt cháy hoà khí trong xi lanh.

c) Kì nổ (quá trình cháy và giãn nở sinh công)

Xu páp nạp và xu páp thải vẫn đóng, hoà khí cháy giãn nở làm cho nhiệt độ và áp suất trong xi lanh tăng mạnh, tác dụng lên đình pít tông và đầy pít tông từ ĐCT đến ĐCD, qua 1 thanh truyền làm trục khuỷu quay tiếp

(Trang 90)

d) Kì thải (quá trình thải)

1 Pít tông chuyển động từ ĐCD đến ĐCT, trục khuỷu quay tiếp 2 vòng (từ 540° đến 720° góc quay trục khuỷu), xu páp nạp đóng và xu páp thải mở, khí thải trong xi lanh bị pít tông đẩy qua cửa thải và qua đường ống thải ra ngoài. Khi pít tông đến ĐCT, xu páp thải đóng, xu páp nạp mở, trong xi lanh lại diễn ra kì nạp của chu trình mới.

2. Nguyên lí làm việc của động cơ Diesel 4 kì

Nguyên lí làm việc của động cơ Diesel 4 kì cũng gần giống như động cơ xăng 4 kì, trong một chu trình làm việc pít tông cũng thực hiện bốn hành trình nạp, nén, nổ và thải. Tuy nhiên, trong động cơ Diesel 4 kì thì ở kì nạp chỉ có không khí được nạp vào xi lanh (không phải hoà khí). Cuối kì nén, khi pít tông gần đến ĐCT, nhiên liệu được phun vào xi lanh với áp suất cao sẽ hoà trộn với không khí để tạo hỗn hợp, khi đạt đến nhiệt độ và áp suất nhất định hỗn hợp sẽ tự cháy mà không cần tia lửa điện.

3. Nguyên lí làm việc của động cơ xăng 2 kì

Hình 18.4 giới thiệu sơ đồ cấu tạo của động cơ xăng 2 kì sử dụng 3 cửa khí, gồm: nạp, quét, thải. Pít tông ngoài các nhiệm vụ như đối với động cơ 4 kì, còn thực hiện thêm nhiệm vụ như van trượt để đóng, mở các cửa khí. Hỗn hợp không khí và nhiên liệu được nén trong các te để có áp suất cao trước khi vào xi lanh.

Mỗi chu trình làm việc của động cơ xăng 2 kì, pít tông thực hiện hai hành trình dịch chuyển và trục khuỷu quay một vòng. Mỗi hành trình dịch chuyển lên hoặc xuống của pít tông được gọi là một kỉ.

Do điều kiện làm việc khắc nghiệt hơn động cơ 4 kì, nên nhiên liệu được pha một tỉ lệ nhỏ dầu bôi trơn để trong quá trình làm việc dầu bôi trơn bám dính vào các bề mặt chi tiết cần bôi trơn.

Khám phá

Hình 18.5. Chu trình làm việc của động cơ xăng 2 kì

Hình 18.4. Sơ đồ cấu tạo động cơ xăng 2 kì

(Trang 91)

a) Kì thứ nhất

Trong kì thứ nhất, hoà khí đã được đốt cháy bởi tia lửa từ bu gi ở cuối kì nén (chu trình trước) sẽ cháy và giãn nở trong xi lanh, làm cho áp suất khí cháy trong xi lanh tăng, tác dụng lên đỉnh pít tông và đầy pít tông dịch chuyển từ ĐCT đến ĐCD, qua thanh truyền làm quay trục khuỷu sinh công (Hình 18.5a). Khi pít tông mở cửa thải, khí cháy có áp suất cao được thải tự do ra đường thải. Sau đó pít tông tiếp tục dịch chuyển và từ khi cửa quét được mở đến khi pít tông đến ĐCD, hoà khí mới ở dưới các te có áp suất cao qua cửa quét được nạp vào xi lanh đồng thời quét khí đã cháy còn lại ra cửa thải (Hình 18.5b). Như vậy, trong hành trình thứ nhất gồm các quá trình: Cháy giãn nở, thải tự do, quét khívà nạp hoà khí mới vào xi lanh.

b) Kì thứ hai

Trong kì thứ hai, khi trục khuỷu quay, qua thanh truyền làm pít tông dịch chuyển từ ĐCD đến ĐCT, quá trình quét khí và nạp hoà khí mới vào xi lanh vẫn tiếp tục cho đến khi pít tông đóng cửa quét. Từ đó cho đến khi pít tông đóng cửa thải, môi chất trong xi lanh bị đầy qua cửa thải ra ngoài, vì vậy giai đoạn này gọi là giai đoạn lọt khí. Ngay sau đó là quá trình nén bắt đầu từ khi pít tông đóng cửa thải cho tới khi bu gi bật tia lửa điện. Sau một thời gian rất ngắn quá trình cháy sẽ xảy ra. Khi pít tông đi lên để nén hoà khítrong xi lanh thì cửa nạp phía dưới pít tông mở, trong các te áp suất giảm, do đó hoà khímới qua đường nạp được hút vào các te để chuẩn bị cho việc nạp hoà khí vào xi lanh ở hành trình sau (Hình 18.5c). Như vậy trong hành trình thứ hai gồm các quá trình: quét khívà nạp hoà khí mới vào xi lanh, lọt khí, nén và cháy, nạp hoà khí mới vào các te.

4. Nguyên lí làm việc của động cơ Diesel 2 kì

Chu trình làm việc của động cơ Diesel 2 kì cũng tương tự như động cơ xăng 2 kì, tức là chu trình được thực hiện sau hai hành trình của pít tông, chỉ khác ở một số điểm sau:

- Khí nạp vào động cơ là không khí, không phải hoà khí (hỗn hợp xăng và không khí) như động cơ xăng. Trước khi vào động cơ, khí nạp được đi qua máy nén dẫn động cơ khí hoặc dẫn động bằng tuabin.

- Cuối quá trình nén, nhiên liệu diesel được vòi phun phun vào xi lanh, sau đó hoà trộn với khí nóng tạo thành hoà khí, ở điều kiện áp suất và nhiệt độ trong xi lanh cao, hoà khí sẽ tự bốc cháy.

Kết nối năng lực

Luyện tập

(Trang 92)

III - CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

1. Công suất có ích

Công suất có ích N₂ (kW) của động cơ là công suất đo được ở đầu ra của trục khuỷu động cơ. Với L. (J) là công có ích của chu trình thì N, có thể tính theo công thức sau:

              (18.6)

Trong đó: i là số xi lanh, τ là số kì và n (vòng/phút) là số vòng quay của động cơ.

Tuỳ phạm vi sử dụng, Ng có giá trị từ vài kW đến hàng vạn kW.

Ví dụ: Động cơ xe máy có N_e từ 5 + 6 kW (6,7 + 8 mã lực); động cơ tàu thuỷ lớn nhất thế giới có N, đạt tới 80 080 kW (107 390 mã lực).

2. Hiệu suất có ích

Hiệu suất có ích n, là tỉ số giữa nhiệt lượng chuyển thành công suất có ích chia cho nhiệt lượng cấp cho động cơ, do nhiên liệu đốt cháy bên trong xi lanh tạo ra và được tính bằng công thức sau:

              (18.7)

Trong đó Q_ct (kJ/s) là nhiệt lượng của nhiên liệu cung cấp cho động cơ.

Tuỳ theo loại động cơ, η_e thay đổi từ 15 + 50%.

3. Mô men có ích

Mô men có ích M_e (Nm) là mô men xoắn gây ra các chuyển động quay của trục, thông số này đặc trưng cho khả năng chịu tải tức thời của động cơ đốt trong.

Mô men có ích của động cơ đốt trong được tính theo công thức sau:

4. Suất tiêu thụ nhiên liệu có ích

Suất tiêu thụ nhiên liệu có ích go (g/kW.h) là lượng nhiên liệu tiêu thụ để tạo ra một đơn vị công suất động cơ trong một đơn vị thời gian. Và go được tính theo công thức sau:

              (18.9)

Trong đó Gni (g/h) là lượng nhiên liệu tiêu thụ đo được trong một đơn vị thời gian.

Vận dụng

Luyện tập