Bài 20: Các hệ thống trong động cơ đốt trong | Công Nghệ Công Nghệ Cơ Khí | Chương VI: Động cơ đốt trong - Lớp 11 - Kết Nối Tri Thức Với Cuộc Sống

(Trang 99)

Hình 20.1

Hình 20.1 thể hiện hai trong số các hệ thống chính của động cơ đốt trong. Hãy quan sát và cho biết tên gọi, vai trò của hai hệ thống đó.

I - HỆ THỐNG BÔI TRƠN

1. Nhiệm vụ và phân loại hệ thống bôi trơn

Hệ thống bôi trơn có nhiệm vụ đưa dầu bôi trơn đến các bề mặt làm việc của các chi tiết để giảm ma sát và nhiệt độ giữa các chi tiết.

Động cơ đốt trong sử dụng nhiều loại hệ thống bôi trơn khác nhau. Một số hệ thống bôi trơn thường gặp trên các động cơ thông thường gồm:

- Bôi trơn bằng vung té: Dầu bôi trơn trong các te được vung, té tự nhiên tới bề mặt các chi tiết cần bôi trơn nhờ sự chuyển động của các chi tiết trong các te (thường gặp trong động cơ cỡ nhỏ có kết cấu đơn giản);

- Bôi trơn qua nhiên liệu: Dầu bôi trơn được pha trong nhiên liệu, bám dính vào các bề mặt cần bôi trơn (dùng cho động cơ xăng 2 kì);

- Bôi trơn cưỡng bức: Dầu bôi trơn được bơm áp lực cao, đưa tới bề mặt các chi tiết cần bôi trơn (thường gặp trong động cơ ô tô). Ngày nay, hầu hết các loại động cơ đốt trong đều sử dụng phương pháp bôi trơn cưỡng bức.

(Trang 100)

2. Hệ thống bôi trơn cưỡng bức

a) Cấu tạo

Khám phá

Hình 20.2. Sơ đồ cấu tạo hệ thống bôi trơn cưỡng bức

1. Các te

2. Lưới lọc

3. Bom

4. Van an toàn bơm dầu

5. Van an toàn lọc dầu

6. Lọc dầu

7. Van khống chế lưu lượng dầu qua két làm mát

8. Két làm mát

9. Đồng hồ báo áp suất dầu

10. Đường dầu chính

11, 12, 13. Các đường dầu phụ

14. Đường dầu hồi về các te

b) Nguyên lí làm việc

Khi hệ thống làm việc bình thường, dầu bôi trơn được bơm (3) hút từ các te (1) qua lưới lọc (2) (lọc sơ bộ những tạp chất có kích thước lớn), sau đó đi qua bầu lọc số (6), qua van (7) đến đường dầu chính (10) và tiếp tục đến các đường dầu (11), (12), (13) để đến bôi trơn các bề mặt chi tiết, sau đó trở về các te. ONG

Nếu áp suất dầu ở trên các đường dầu vượt quá giá trị cho phép (thể hiện qua đồng hồ áp suất (9)), van an toàn (4) mở để dầu quay về trước bơm (3) nhằm làm giảm áp suất lên các đường ống. Còn trong trường hợp bầu lọc (6) bị tắc, van an toàn (5) của bầu lọc sẽ mở dầu qua van (5) để lên đường dầu chính.

Nếu nhiệt độ dầu quá cao (khoảng 80°C), van (7) đóng một phần, dầu đi qua két làm mát (8) và tại đây, dầu được làm mát rồi tiếp tục được đưa đến các đường dầu (10), (11), (12), (13) để bôi trơn bề mặt các chi tiết.

Kết nối năng lực

(Trang 101)

II – HỆ THỐNG LÀM MÁT

1. Nhiệm vụ và phân loại

Hệ thống làm mát có nhiệm vụ giữ cho nhiệt độ của các chi tiết của động cơ không vượt quá giới hạn cho phép để đảm bảo điều kiện làm việc bình thường của động cơ đốt trong.

Căn cứ vào môi chất làm mát, hệ thống làm mát được chia thành:

- Hệ thống làm mát bằng không khí.

- Hệ thống làm mát bằng chất lỏng (nước, dung dịch). Tuỳ vào tính chất lưu động của nước trong hệ thống, nên có thể chia tiếp thành các loại như: bốc hơi, đối lưu tự nhiên, tuần hoàn cưỡng bức.

2. Hệ thống làm mát bằng nước

a) Cấu tạo

Trong hệ thống này, nước được dùng làm môi chất trung gian tải nhiệt khỏi các chi tiết. Trong quá trình làm việc, tốc độ lưu động của nước chủ yếu do bơm quyết định. Phần này sẽ trình bày hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức mà hiện nay đang được sử dụng phổ biến trên động cơ ô tô.

Khám phá

Hình 20.3. Sơ đồ hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức

1. Thân máy

2. Nắp máy

3. Đường nước nóng

4. Van hàng nhiệt

5. Két nước

6. Giàn ống của két nước

7. Quạt gió

8. Ông nước tát về bơm

9. Pully dẫn động quạt gió

10. Bơm nước

11. Ông phân phối nước lạnh

b) Nguyên lí làm việc

Khi động cơ đốt trong làm việc, nhiệt từ động cơ sẽ làm cho áo nước nóng dần lên. Nước làm mát có nhiệt độ thấp được bơm (10) hút từ bình chứa phía dưới két nước (5) qua các đường ống để làm mát các chi tiết.

Khi nhiệt độ nước làm mát còn thấp (nhỏ hơn 80 °C), van hằng nhiệt (4) đóng đường thông với két (5), mở hoàn toàn đường thông với ống (8) để nước làm mát được chảy thẳng về bơm và tiếp tục được bơm đầy vào động cơ. Điều này sẽ giúp nhiệt độ nước trong áo nước tăng nhanh, rút ngắn thời gian hâm nóng động cơ.

(Trang 102)

Khi nhiệt độ nước làm mát đạt đến giới hạn (từ 80 °C đến 95 °C), van hằng nhiệt (4) mở cả hai đường thông với két (5) và ống (8) (lúc này một phần nước sẽ đi qua két và được làm mát).

Khi nhiệt độ nước làm mát vượt quá giới hạn (lớn hơn 90°C), van hằng nhiệt (4) mở hoàn toàn đường thông với két nước (5), đường thông với ống (8) đóng (lúc này toàn bộ nước làm mát được đi qua két và được làm mát).

Nước nóng qua két (5) sẽ được làm mát nhờ quạt gió (7) hút không khí vào, sau đó nước làm mát sẽ được bơm (10) hút trở lại áo nước và tiếp tục vòng làm việc mới.

3. Hệ thống làm mát bằng không khí

a) Cấu tạo

Hệ thống làm mát bằng không khí có cấu tạo đơn giản, chủ yếu được sử dụng ở động cơ xe máy. Hệ thống gồm các cánh tản nhiệt được đúc bao ngoài xi lanh và nắp máy (Hình 20.4), ngoài ra ở một số động cơ tĩnh tại nhiều xi lanh, để tăng hiệu suất làm mát còn có quạt gió được dẫn động từ trục khuỷu và có các tấm hướng gió.

Hình 20.4. Hệ thống làm mát bằng không khí

b) Nguyên lí làm việc

Nhiệt từ các chi tiết khi động cơ làm việc sẽ được truyền tới các cánh tản nhiệt rồi toà ra không khí.

Hệ thống có sử dụng quạt gió làm mát sẽ làm tăng lưu lượng gió để tăng hiệu quả làm mát. Các tắm hướng gió (3) có tác dụng phân phối không khí sao cho các xi lanh được làm mát đồng đều nhất.

Kết nối năng lực

(Trang 103)

III – HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU

1. Hệ thống nhiên liệu động cơ xăng

a) Nhiệm vụ và phân loại

Hệ thống nhiên liệu có nhiệm vụ cung cấp nhiên liệu và tạo thành hoà khí (hỗn hợp không khí và nhiên liệu) phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ.

Hiện nay hệ thống nhiên liệu động cơ xăng có hai loại chính là: hệ thống nhiên liệu dùng bộ chế hoà khí (cacbuarator); hệ thống nhiên liệu dùng vòi phun (hệ thống phun xăng).

b) Cấu tạo và nguyên lí làm việc

Cấu tạo hệ thống nhiên liệu dùng bộ chế hoà khí thể hiện trên Hình 20.5.

Hình 20.5. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu dùng bộ chế hoà khí

1. Thùng xăng

5. Gic lo

2. Lọc xăng

6. Họng khuếch tán

3. Bom xăng

7. Bướm ga

4. Buồng phao

Khám phá

Nguyên lí làm việc: Xăng từ thùng chứa (1) được bơm (3) hút qua lọc (2) đến buồng phao (4) của bộ chế hoà khí. Tại kì nạp, không khí được hút vào động cơ đi qua họng khuếch tán (6) với vận tốc cao, xăng được hút từ buồng phao qua gíc lơ (5) hoà trộn với không khí trở thành hoà khí và được nạp vào xi lanh của động cơ. Lượng hoà khí nạp vào động cơ phụ thuộc vào độ mở của bướm ga (7), phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ.

Cấu tạo hệ thống phun xăng thể hiện trên Hình 20.6.

Hình 20.6. Sơ đồ hệ thống phun xăng

Các cảm biến

Bộ điều khiển phun

Bầu lọc khi

Thùng xăng

Bộ lọc xăng

Bom xăng

Bộ điều chỉnh áp suất

Vòi phun

Đường ông nạp

Đường xăng chính

Đường không khi

Đường hoa khi

Đường xăng hồi

Đường tín hiệu điều khiển phun

Xi lanh động cơ

(Trang 104)

Nguyên lí làm việc: Xăng được bơm xăng hút từ thùng xăng, qua bầu lọc và bộ điều chỉnh áp suất đến vòi phun với áp suất cao và ổn định. Sau đó xăng được phun vào đường ống nạp để hoà trộn cùng với không khí và nạp vào xi lanh.

Bộ điều khiển phun nhận tín hiệu từ các cảm biến sau đó điều khiển vòi phun để hoà khícó tỉ lệ phù hợp với các chế độ làm việc khác nhau của động cơ.

2. Hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel

a) Nhiệm vụ và phân loại

Hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel có nhiệm vụ cung cấp không khí và dầu diesel vào trong xi lanh, phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ.

Hiện nay hệ thống nhiên liệu diesel có hai loại chính sau: hệ thống nhiên liệu diesel thông thường (chỉ sử dụng cơ khí và thuỷ lực để điều khiển); hệ thống nhiên liệu diesel điều khiển điện tử.

b) Cấu tạo và nguyên lí làm việc

Cấu tạo hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel thể hiện trên Hình 20.7.

Hình 20.7. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel

Thùng dầu diesel

Bầu lọc thô

Bầu lọc khí

Bom chuyên nhiên liệu

Bầu lọc tinh

Bơm cao áp

Vòi phun

Xi lanh

Đường xăng chính

Đường không khí

Đường dầu diesel hỏi về thùng

Nguyên lí làm việc: Khi động cơ làm việc, ở kì nạp, không khí được hút qua bầu lọc khí, qua đường ống nạp đi vào xi lanh.

Dầu diesel được bơm hút từ thùng chứa qua bầu lọc thô đến bầu lọc tinh và đưa tới khoang chứa của bơm cao áp để tạo áp suất cao. Đến cuối kì nén, dầu diesel được vòi phun phun với áp suất cao vào trong xi lanh và hoà trộn với không khí có nhiệt độ và áp suất cao nên tự bốc cháy.

Khám phá

Thông tin bổ sung

Kết nối năng lực

(Trang 105)

IV – HỆ THỐNG KHỞI ĐỘNG

1. Nhiệm vụ và phân loại

Hệ thống khởi động có nhiệm vụ làm quay trục khuỷu động cơ đến số vòng quay nhất định để động cơ có thể tự nổ máy được.

Hệ thống khởi động gồm có: hệ thống khởi động bằng tay, hệ thống khởi động bằng động cơ điện, hệ thống khởi động bằng động cơ phụ, hệ thống khởi động bằng khí nén.

2. Cấu tạo và nguyên lí làm việc

Phần này sẽ trình bày hệ thống khởi động bằng động cơ điện – loại hệ thống được sửdụng phổ biến trên động cơ ô tô, xe máy.

Cấu tạo hệ thống khởi động bằng động cơ điện được mô tả trên Hình 20.8.

Hình 20.8. Sơ đồ cấu tạo hệ thống khởi động bằng động cơ điện

1. Bạc trục khuỷu

2. Stato

3. Trục khuỷu

4. Rô to

5. Vô động cơ điện

6. Cổ góp

7. Acquy

8. Khoá khởi động

9. Lò xo

10. Rơ le điện

11. Cần dẫn động

12. Khớp bánh răng khởi động

13. Trục động cơ điện

14. Bánh đà

Nguyên lí làm việc: Khi khoá khởi động (8) được đóng, lõi thép của rơ le điện (10) bị hút sang trái, qua cần dẫn động (11), khớp bánh răng khởi động (12) được đầy sang phải để vành răng của nó ăn khớp với vành răng của bánh đà (14) của động cơ đốt trong. Đồng thời khi đó tiếp điểm K-K đóng lại sẽ đưa điện vào mạch nối tiếp stato (2) cổ góp (6) rô to (4) của động cơ điện khởi động, làm động cơ điện quay, mô men quay của nó được truyền qua vành răng của bánh đà (14), do đó làm quay trục khuỷu động cơ đốt trong đến tốc độ vòng quay cần thiết để khởi động động cơ.

Khi động cơ đốt trong đã làm việc, khoá khởi động (8) được tắt để ngắt dòng điện vào rơ le điện (10), tiếp điểm K-K mở sẽ ngắt dòng điện vào động cơ điện làm đồng cơ điện dừng hoạt động. Đồng thời khi đó lò xo (9) đầy rơ le (10) dịch chuyển sang phải (vị trí ban đầu). Khớp bánh răng khởi động (12) tách khỏi vành răng của bánh đà (14).

Khám phá

(Trang 106)

V – HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA TRÊN ĐỘNG CƠ XĂNG

1. Nhiệm vụ và phân loại

Hệ thống đánh lửa có nhiệm vụ tạo ra tia lửa điện năng lượng cao để đốt cháy hoà khítrong xi lanh động cơ xăng đúng thời điểm.

Hệ thống đánh lửa có thể phân chia thành hệ thống đánh lửa thường và hệ thống đánh lửa điện tử (Hình 20.9.).

Hình 20.9. Sơ đồ phân loại hệ thống đánh lửa

Hệ thống đánh lừa thường

Hệ thống đánh lừa

Hệ thống đánh lửa điện từ

Hệ thống đánh lừa có tiếp điểm

Hệ thống đánh lửa không có tiếp điểm

2. Cấu tạo và nguyên lí làm việc

Phần này sẽ trình bày hệ thống đánh lửa thường, dùng acquy, đây là hệ thống đơn giản, dễ sử dụng và sửa chữa, được sử dụng trên một số động cơ ô tô, động cơ xe máy và động cơ dẫn động máy phát điện.

Sơ đồ cấu tạo hệ thống đánh lửa thường, dùng acquy được mô tả trên Hình 20.10.

Hình 20.10. Sơ đồ cấu tạo hệ thống đánh lửa thường, dùng acquy

1. Acquy

2. Khoá điện

3. Điện trở

4. Khoá hỗ trợ khởi động

5. Biến áp đánh lừa

6. Tụ điện

7. Bộ tạo xung

8. Lò xo của tiếp điểm

9. Bộ chia điện

10. Dây cao áp

11. Bu gi

(a là khoảng cách tiếp điểm; XL1, XL 2, XL 3, XL 4 bu gì cho các xi lanh thứ 1, thứ 2, thứ 3 và thứ 4)

Khám phá

Nguyên lí làm việc: Khi động cơ làm việc, khoá điện (2) đóng, dòng điện sơ cấp từ cực dương của nguồn đi qua điện trở (3) tới cuộn sơ cấp W₁ của biến áp đánh lửa (5) rồi đến bộ tạo xung (7). Bộ tạo xung (7) thực chất có một cặp tiếp điểm đóng mở do một trục cam, trục cam này thường đồng trục với bộ chia điện (9) và được dẫn động từ trục khuỷu động cơ. Khi cặp tiếp điểm đóng, dòng điện sơ cấp đi qua cặp tiếp điểm rồi về cực âm của nguồn. Khi trục cam quay làm cặp tiếp điểm mở, dòng điện sơ cấp đột ngột về không do vậy sẽ gây biến thiên đột ngột từ thông cảm ứng sang cuộn W₂ của biến áp đánh lửa

(Trang 107)

(5) nên đã sinh ra một suất điện động cảm ứng E₂ rất cao (khoảng 15 kV - 20 kV). Điện thế này được dẫn đến bộ chia điện (9), qua con quay phân phối và dây cao áp (10) đến các bu gi (11) tạo ra tia lửa điện để đốt hỗn hợp trong xi lanh động cơ.

Tại thời điểm cặp tiếp điểm của bộ tạo xung (7) mở, cuộn dây W₁ sinh ra một suất điện động tự cảm E, khá cao (khoảng 200 V – 300 V) có thể tạo ra tia lửa điện tại cặp tiếp điểm và sẽ làm giảm tuổi thọ của cặp tiếp điểm. Nhờ tụ điện (6) lắp song song với cặp tiếp điểm nên tia lửa điện được dập tắt hoặc giảm đáng kể.

Khi khởi động bằng acquy, điện áp acquy bị sụt khá nhiều do phải cung cấp điện cho động cơ điện khởi động, lúc này dòng sơ cấp nhỏ dẫn tới E₂ nhỏ, nên chất lượng đánh lửa kém làm động cơ khó khởi động. Để khắc phục hiện tượng này, nên khi khởi động khoá hỗ trợ khởi động (4) sẽ đóng, điện trở (3) bị nối tắt nên dòng sơ cấp không bị giảm so với chế độ động cơ đang làm việc. Sau khi kết thúc khởi động, khoá (4) phải được mở ra.

Ngày nay nhờ sự phát triển của kĩ thuật điện tử, hệ thống đánh lửa điện tử được phát triển và sửdụng rộng rãi cho các loại động cơ xăng. So với hệ thống đánh lửa thường, chất lượng đánh lửa của hệ thống đánh lửa điện tử rất tốt ở cả chế độ tốc độ vòng quay cao và thấp, động cơ khởi động dễ dàng.

Kết nối năng lực

VI – HỆ THỐNG XỬ LÍ KHÍ THẢI CỦA ĐỘNG CƠ

1. Nhiệm vụ và phân loại

Hệ thống xử lí khí thải động cơ có nhiệm vụ xử lí, giảm bớt nồng độ các chất độc hại trong khí thải của động cơ trước khi thải ra môi trường trong quá trình động cơ làm việc.

Hệ thống xử lí khí thải gồm hai loại chính sau: hệ thống xử lí khí thải sử dụng trên động cơ Diesel và hệ thống xử lí khí thải sử dụng trên động cơ xăng.

Dưới đây sẽ giới thiệu hai hệ thống xử lí khí thải điển hình thường được sử dụng trên ô tô.

2. Hệ thống luân hồi khí thải EGR kết hợp bộ DOC và DPF trên động cơ Diesel

a) Cấu tạo

Sơ đồ cấu tạo hệ thống EGR kết hợp với DOC và DPF sử dụng trên động cơ Diesel được mô tả trên Hình 20.11.

Hệ thống EGR (Exhaust Gas Recirculation): tuần hoàn khí thải

Bộ lọc DOC (Diesel Oxidation Catalyst): đốt cháy muội than, oxi hoá NO trên đường xả động cơ Diesel.

Bộ lọc hạt DPF (Diesel Particulate Filter): loại bỏ thành phần PM (muội than, hạt mài,...) trong khí thải.

Hình 20.11. Hệ thống luân hồi EGR kết hợp bộ DOC và DPF

b) Nguyên lí làm việc

Khí thải đi qua bộ xử lí oxi hoá DOC, các thành phần CO, HC và NO trong khí thải bị oxi hoá để tạo thành CO₂, H₂O và NO₂. Sau đó khí thải tiếp tục đi qua bộ lọc DPF để giữ lại PM.

(Trang 108)

Một phần thích hợp khí thải sau khi ra khỏi DPF được đưa quay trở lại đường nạp thông qua van định lượng EGR để hoà trộn với khí nạp mới trước khi nạp vào xi lanh. Mục đích của luân hồi khí thải là để giảm phát thải NOx. Để đảm bảo nhiệt độ khí nạp không quá cao trước khi vào xi lanh, khí luân hồi cần được làm mát.

3. Bộ xử lí ba thành phần trên động cơ xăng

a) Cấu tạo

Sơ đồ cấu tạo bộ xử lí ba thành phần sử dụng trên động cơ xăng được mô tả trên Hình 20.12.

Bộ xử lí ba thành phần được bố trí nằm giữa đường ống thải động cơ và bộ giảm âm, nhưng gần đường ống thải hơn để tận dụng nhiệt lượng cho các phản ứng hoá học (nhiệt độ lí tưởng từ 200°C đến 300 °C), vật liệu chế tạo là thép không gỉ, hình trụ tròn hoặc ô van, ở hai đầu có lắp mặt bích để nối với các đường ống trung gian trong hệ thống thải. Cấu tạo bên trong bộ xử lí bao gồm phần lõi và các lớp phủ chất xúc tác.

Hình 20.12. Cấu tạo của bộ xử lí ba thành phần

Khám phá

b) Nguyên lí làm việc

Khí thải của động cơ đi qua bộ xử lí ba thành phần, các thành phần CO, HC và NO trong khí thải bị oxi hoá để tạo thành CO2, H2O và NO2 dựa theo phản ứng oxi hoá CO và HC với các chất xúc tác là Pt, Pd; phản ứng khử NO với chất xúc tác Rh:

Bộ xử lí khí thải ba thành phần bắt đầu được lắp đặt trên động cơ xăng từ năm 1975 và ngày nay nó trở nên rất phổ biến trên các phương tiện giao thông đường bộ sử dụng động cơ xăng.

Vận dụng

Kết nối năng lực