Nguyên lý-Các bộ phận chính động cơ CHƯƠNG 2 NGUYÊN LÝ-CÁC BỘ PHẬN CHÍNH CỦA ĐỘNG CƠ A. KHÁI QUÁT Ôtô là loại phương tiện vận tải đường bộ, rất cơ động và phạm vi sử dụng rất rộng. Ôtô đóng một vai trò to lớn trong sự nghiệp phát triển nền kinh tế quốc dân, quốc phòng. Động cơ là nguồn động lực để cho ôtô chuyển động. Nó có thể động cơ xăng, Diesel, động cơ ga, động cơ điện, động cơ sử dụng Hydro lỏng… Động cơ sử dụng trên ôtô là động cơ đốt trong kiểu piston, nhiên liệu sử dụng chính là xăng hoặc diesel. Về sự hoạt động, hai loại động cơ này có kết cấu và nguyên lý hoạt động gần giống nhau, chúng khác nhau về phương pháp đốt cháy nhiên liệu. Động cơ xăng và Diesel là động cơ nhiệt, chúng biến đổi hóa năng của nhiên liệu thành nhiệt năng và từ nhiệt năng biến thành cơ năng để truyền công suất cho ôtô hoạt động. Động cơ xăng có tốc độ cao, rất cơ động, công suất phát ra lớn, buồng đốt gọn, được sử dụng phổ biến ở các loại ôtô con và ôtô tải nhỏ. Động cơ Diesel có hiệu suất nhiệt lớn, tiết kiệm nhiên liệu, tốc độ động cơ chậm hơn động cơ xăng. Nó có khuyết điểm là tốc độ động cơ thấp, trọng lïng động cơ nặng, dao động mạnh và tiếng ồn lớn. Nó được dùng để dẫn động trên các loại ôtô buýt, ôtô tải, các loại phương tiện thương mại… NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG Hỗn hợp không khí và nhiên liệu từ bên ngoài được đưa vào xy lanh động cơ qua xú pap nạp và nó bò nén khi piston chuyển động đi lên. Khi hỗn hợp được đốt cháy bởi năng lượng của bu gi, làm áp suất khí cháy trong xy lanh gia tăng mạnh. Khi quá trình cháy xảy ra, hỗn hợp không khí-nhiên liệu cháy và giãn nở trong xy lanh với một áp suất rất cao. 30 Nguyên lý-Các bộ phận chính của động cơ Áp suất cao đẩy piston chuyển động đi xuống. Do piston được nối với thanh truyền và thanh truyền kết nối với trục khuỷu, thanh truyền sẽ biến chuyển động đi xuống của piston thành chuyển động quay tròn của trục khuỷu. Bánh đà là một khối kim loại dạng tấm tròn được gắn ở đuôi trục khuỷu giúp cho trục khuỷu chuyển động đều. Chuyển động quay từ động cơ được bánh đà truyền qua hệ thống truyền lực và làm cho ôtô chuyển động. B. CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ 1. ĐƯỜNG KÍNH XY LANH D Đường kính xy lanh của động cơ được tính bằng mi li mét. 2. ĐIỂM CHẾT Điểm chết: là nơi thay đổi chiều chuyển động của piston. Có hai điểm chết: Điểm chết trên (ĐCT) và điểm chết dưới (ĐCD). 3. HÀNH TRÌNH PISTON Hành trình piston S: là khoảng cách giữa điểm chết trên và điểm chết dưới. 4. THỂ TÍCH CÔNG TÁC V h Là khoảng không gian giới hạn giữa điểm chết trên và điểm chết dưới. Khi thể tích công tác càng cao thì công suất động cơ càng lớn. V h = S D . 4 2 π 31 Nguyên lý-Các bộ phận chính của động cơ 5. THỂ TÍCH BUỒNG ĐỐT V C Là khoảng không gian giới hạn giữa nắp máy và đỉnh piston khi piston ở điểm chết trên. 6. THỂ TÍCH TOÀN PHẦN V a Là khoảng không gian giới hạn giữa nắp máy và đỉnh piston khi piston ở điểm chết dưới. V a = V h + V c 7. THỂ TÍCH CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ V i Thể tích công tác động cơ là tích số giữa thể tích công tác của một xy lanh và số xy lanh của động cơ. V i = V h . i - Vơiù i là số xy lanh của động cơ. 8. TỈ SỐ NÉN ε Tỉ số nén là tỉ số giữa thể tích toàn phần và thể tích buồng đốt của động cơ. ε = ( Vh + Vc )/ Vc = 1 + Vh/Vc. Tỉ số nén là thông số rất quan trọng của một động cơ. Khi tỉ số nén của động cơ càng lớn, hiệu suất nhiệt và công suất động cơ cao. Tỉ số nén của động cơ xăng ε < 12 bò giới hạn bởi hiện tượng cháy sớm và cháy kích nổ. Khác với động cơ xăng, động cơ Diesel tỉ số nén động cơ phải lớn để đảm bảo áp suất và nhiệt độ trong xy lanh ở cuối kỳ nén đủ lớn, để nhiên liệu khi phun vào buồng đốt với áp suất cao có khả năng tự cháy (ε = 14 – 22 ). Ngày nay, người ta cố gắng nâng tỉ số nén của động cơ xăng bằng cách điều khiển tỉ lệ không khí nhiên liệu và thời điểm đánh lửa sớm bằng máy tính. C. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC ĐỘNG CƠ I. ĐỘNG CƠ XĂNG 4 KỲ 1 XY LANH Chu kỳ làm việc của động cơ xăng 4 kỳ gồm 4 quá trình. Quá trình nạp, quá trình nén, quá trình cháy và quá trình thải. 32 Nguyên lý-Các bộ phận chính của động cơ 1. QUÁ TRÌNH NẠP Quá trình nạp được xem là quá trình thứ nhất của động cơ xăng 4 kỳ. Khi trục khuỷu quay, qua thanh truyền piston di chuyển từ trên xuống dưới. Xú pap nạp mở và xú pap thải đóng. Khi piston chuyển động đi xuống, không khí và nhiên liệu từ bên ngoài vào xy lanh động cơ qua xú pap nạp do sự chênh áp giữa bên ngoài và bên trong xy lanh. Quá trình nạp được đánh gía bằng nhiệt độ T a và áp suất ở cuối qúa trình nạp P a . T a = 320 - 370°K, P a = (0,80 – 0,95) P o P o : Áp suất khí trời. 2. QUÁ TRÌNH NÉN Khi piston từ điểm chết dưới đi lên thì chấm dứt kỳ nạp và kỳ nén bắt đầu, lúc này xú pap nạp đóng, xú pap thải vẫn tiếp tục đóng. Chuyển động quay của trục khuỷu làm cho piston đi lên điểm chết trên nén hỗn hợp không khí và nhiên liệu trong xy lanh. Quá trình nén là một quá trình quan trọng. Khi áp suất nén càng cao, áp suất sinh ra trong quá trình cháy càng lớn, công suất động cơ sinh ra lớn và động cơ tiết kiệm được nhiên liệu. 3. QUÁ TRÌNH CHÁY Khi piston lên gần đến điểm chết trên ở cuối quá trình nén, lúc này tia lửa điện bu gi được cung cấp từ hệ thống đánh lửa đốt cháy hỗn hợp trong xy lanh. Khi cháy chất khí trong xy lanh giãn nở nhanh chóng và tạo ra một áp suất rất cao tác dụng lên đỉnh của piston. 33 Nguyên lý-Các bộ phận chính của động cơ Áp suất cháy trong xy lanh đạt cực đại khi piston đi qua điểm chết trên khoảng 10°. Piston chuyển động đi xuống bên dưới làm cho trục khuỷu quay để sinh công. Trong quá trình này xú pap nạp và xú pap thải vẫn đóng. Quá trình cháy xảy ra vào khoảng hai phần nghìn giây. Khi phản ứng xảy ra, liên kết giữa các nguyên tử Hydro và Carbon bò phá vỡ. Sự phá vỡ mối liên kết này sẽ giải phóng nhiệt lượng trong buồng đốt, đẩy piston xuống làm cho trục khuỷu chuyển động. Khi các nguyên tử Hydro và Carbon tách ra, chúng sẽ kết hợp với ôxy của không khí để tạo thành hơi nước và khí Diôxýt Carbon. 4. QUÁ TRÌNH THẢI Khi piston xuống gần tới điểm chết dưới, xú pap nạp vẫn đóng và xú pap thải mở, khí cháy từ trong xy lanh thoát ra bên ngoài do chênh lệch áp suất bên trong xy lanh và môi trường. Khi piston đến điểm chết dưới, chuyển động quay của trục khuỷu làm piston chuyển động đi lên, đầu piston đẩy khí cháy ra môi trường qua xú pap thải. Khi piston đi qua điểm chết trên quá trình nạp của chu kỳ thứ hai tiếp diển. Quá trình thải và quá trình nạp có quan hệ mật thiết với nhau, để nạp đầy hòa khí vào lòng xy lanh thì phải thải sạch khí cháy ra khỏi xy lanh ở chu kỳ trước. Động cơ xăng 4 kỳ, trong một chu kỳ piston phải thực hiện 4 hành trình và trục khuỷu quay hai vòng tương ứng 720°. Để điều khiển các xú pap nạp và thải đóng mở một lần trong một chu kỳ, trục cam thực hiện đúng một vòng. 5. ĐỒ THỊ PHÂN PHỐI KHÍ Đồ thò biểu thò góc đánh lửa sớm, góc đóng trễ mở sớm của các xú pap nạp và thải được gọi là đồ thò phân phối khí. 34 Nguyên lý-Các bộ phận chính của động cơ  Khi piston gần điểm chết trên ở cuối quá trình thải, xú pap nạp mở. Góc này được gọi là góc mở sớm của xú pap nạp. Mục đích của việc mở sớm xú pap nạp là khi piston ở điểm chết trên, độ mở của xú pap nạp đủ lớn để đảm bảo nạp đầy hỗn hợp.  Ở quá trình nạp, khi piston xuống điểm chết dưới, áp suất trong xy lanh vẫn bé hơn áp suất của môi trường. Vì vậy, để nạp thêm người ta thực hiện xú pap nạp đóng trễ sau điểm chết dưới để tận dụng sự chênh áp và quán tính của dòng không khí nạp. Ở đồ thò trên, góc mở sớm của xú pap nạp là 6° và đóng trễ là 40°.  Ở quá trình nén, khi piston lên gần đến điểm chết trên, tia lửa điện bu gi nẹt ra. Góc đánh lửa trước điểm chết trên được gọi là góc đánh lửa sớm. Mục đích của việc đánh lửa sớm là đảm bảo áp suất cháy đạt cực đại sau điểm chết trên một góc là 10° để công suất của động cơ đạt được tối ưu nhất.  Ở quá trình cháy, khi piston xuống gần đến điểm chết dưới, xú pap thải mở để khí cháy thoát ra ngoài do sự chênh áp, góc này được gọi là góc mở sớm của xú pap thải. Khi piston đi lên đỉnh piston tiếp tục đẩy khí cháy ra ngoài qua xú pap thải. Quá trình thải kết thúc khi piston đi qua điểm chết trên một góc nào đó, góc này gọi là góc đóng trễ của xú pap thải. Mục đích của việc đóng trễ là tận dụng quán tính của dòng khí thải để thải sạch. Đồ thò trên, góc mở sớm của xú pap thải là 31°trước điểm chết dưới và góc đóng trễ là 9° sau điểm chết trên.  Ở cuối quá trình thải và đầu quá trình nạp có các thời điểm xú pap nạp và thải đều mở, góc này được gọi là góc trùng điệp của xú pap. Theo đồ thò góc này là 15°. II. ĐỘNG CƠ DIESEL 4 KỲ 1 XY LANH Động cơ xăng, hỗn hợp không khí-nhiên liệu bò nén và sau đó được đốt cháy bởi năng lượng của tia lửa điện bu gi. Còn ở động cơ Diesel, nhiên liệu bò đốt cháy bởi nhiệt độ của không khí bò nén. Nhiệt độ không khí bò nén trong buồng đốt của động cơ Diesel khoảng 500°C hoặc cao hơn, do tỉ số nén của động cơ Diesel là rất lớn ( 15/1 – 22/1 ) . 35 Nguyên lý-Các bộ phận chính của động cơ 1. QUÁ TRÌNH NẠP Khi trục khuỷu chuyển động, thanh truyền kéo piston dòch chuyển từ trên xuống, xú pap nạp mở và xú pap thải đóng. Độ chân không trong xy lanh hút không khí sạch từ bên ngoài đi qua xú pap nạp để nạp vào xy lanh động cơ. 2. QUÁ TRÌNH NÉN Piston từ điểm chết dưới di chuyển lên điểm chết trên. Xú pap nạp và thải đều đóng. Khi piston đi lên không khí bên trong xy lanh bò nén áp suất đạt tới 30 kg/cm 2 và nhiệt độ khoảng từ 500 - 800°C. 36 Nguyên lý-Các bộ phận chính của động cơ 3. QUÁ TRÌNH CHÁY Không khí trong xy lanh bò đẩy vào buồng đốt phụ ở bên trong nắp máy. Ở cuối quá trình nén, kim phun mở và nhiên liệu được phun vào buồng đốt phụ với áp suất rất cao và nhiên liệu sẽ tự bốc cháy. Khi nhiên liệu cháy làm cho áp suất và nhiệt độ trong buồng đốt phụ tăng nhanh và nó bò đẩy ra buồng đốt chính. Tại buồng đốt chính, nhiên liệu hoà trộn với không khí và tiếp tục cháy trong thời gian rất nhanh chóng. Áp suất cháy sẽ đẩy piston di chuyển và qua trung gian của thanh truyền sẽ làm cho trục khuỷu quay để truyền công suất cho ôtô. 4. QUÁ TRÌNH THẢI Piston từ điểm chết dưới di chuyển lên điểm chết trên, xú pap nạp đóng và xú pap thải mở. Khi piston đi lên đỉnh piston sẽ đẩy khí cháy trong xy lanh qua xú pap thải thoát ra ngoài. Khi piston dòch chuyển từ trên xuống quá trình nạp được thực hiện và chu kỳ thứ hai được tiếp diển. Khi động cơ thực hiện 4 kỳ: nạp, nén, nổ và thải, trục khuỷu quay hai vòng và chỉ có một lần sinh công. Nên nó được gọi là động cơ Diesel 4 kỳ. Động cơ Diesel có ưu điểm là hiệu suất nhiệt và tuổi thọ động cơ cao, ít hư hỏng và momen xoắn được giữ không đổi trong một khoảng tốc độ nên nó dễ sử dụng hơn động cơ xăng. Có khuyết điểm là phát ra tiếng ồn lớn, rung động mạnh khi làm việc, hệ thống nhiên liệu có độ chính xác cao và cấu trúc động cơ phải vững chắc. 37 Nguyên lý-Các bộ phận chính của động cơ SO SÁNH ĐỘNG CƠ XĂNG VÀ DIESEL Động cơ Động cơ xăng Động cơ Diesel Kỳ nạp Nạp hỗn hợp không khí và nhiên liệu Chỉ nạp không khí Kỳ nén Piston nén hỗn hợp không khí nhiên liệu Piston nén không khí đạt được nhiệt độ và áp suất cao Kỳ nổ Bu gi đốt cháy hỗn hợp nén Nhiên liệu phun với áp suất cao và bò đốt cháy bởi nhiệt độ của không khí. Kỳ thải Lực piston đẩy khí cháy ra khỏi xy lanh Lực piston đẩy khí cháy ra khỏi xy lanh Điều tiết công suất Điều khiển lượng hỗn hợp không khí – nhiên liệu cung cấp Điều khiển lượng nhiên liệu phun. III. ĐỘNG CƠ NHIỀU XY LANH TRÊN ÔTÔ Trên ôtô, động cơ thường có nhiều xy lanh. Số xy lanh có thể là 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12… Khi số xy lanh càng tăng thì công suất của động cơ càng cao. Các xy lanh của động cơ có thể bố trí thành một hàng, theo hình chữ V, hình sao hoặc bố trí đối xứng. Chu kỳ công tác động cơ nhiều xy lanh thực hiện được trong hai vòng quay. Mỗi xy lanh của động cơ đều thực hiện đầy đủ 4 kỳ trong hai vòng quay trục khuỷu. Thứ tự nổ mỗi xy lanh được bố trí lệch nhau một góc đều đặn là 720°/ i (i là số xy lanh của động cơ). 1. ĐỘNG CƠ 4 KỲ- 4 XY LANH THẲNG HÀNG Ở động cơ 4 xy lanh, 4 kỳ, thứ tự công tác 1 – 3 – 4 – 2. Góc lệch công tác = 720° : 4 = 180°.Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền của động cơ này có dạng như sau. 38 Nguyên lý-Các bộ phận chính của động cơ 0 180 360 540 720° Xyl 1 Nổ Thải Nạp Nén Xyl 2 Thải Nạp Nén Nổ Xyl 3 Nén Nổ Thải Nạp Xyl 4 Nạp Nén Nổ Thải 2. ĐỘNG CƠ 4 KỲ, 6 XY LANH THẲNG HÀNG Động cơ 4 kỳ, 6 xy lanh, thứ tự công tác thông dụng là 1–5–3–6–2–4. Góc lệch công tác 720° : 6 = 120° 0 180 360 540 720° Xyl 1 Nổ Thải Nạp Nén Xyl 2 Thải Nạp Nén Nổ Xyl 3 Nén Nổ Thải Nạp Xyl 4 Thải Hút Nén Nổ Xyl 5 Nén Nổ Thải Nạp Xyl 6 Nạp Nén Nổ Thải 3. ĐỘNG CƠ 4 KỲ, 8 XY LANH BỐ TRÍ DẠNG CHỮ V Người ta bố trí động cơ hình chữ V với mục đích là rút ngắn chiều dài của động cơ. Ở động cơ chữ V8 có rất nhiều thứ tự công tác. 39 [...]... bảo cho khe hở của cơ cấu phân ph i khí bằng 0 8 CAM CÓ TH I I M THAY Đ I Một số động cơ dùng cơ cấu DOHC sử dụng kiểu cam có th i i m thay đ i Cơ cấu thuỷ lực sẽ làm thay đ i th i i m mở của cam Th i i m của trục cam thay đ i phụ thuộc vào t i và số vòng quay của động cơ 59 Nguyên lý-Các bộ phận chính của động cơ 9 HỆ THỐNG I U KHIỂN TH I I M MỞ XÚ PAP THÔNG MINH Ở các động cơ cũ, góc mở sớm... Cạnh BC: Sự giãn nở của hỗn hợp cháy làm piston chuyển động Khi piston quay một vòng, m i cạnh của piston thực hiện các quá trình: nạp không khí và nhiên liệu, nén hỗn hợp khí, cháy giãn nở và th i i u này có nghóa, khi piston thực hiện đúng một vòng thì động cơ thực hiện 3 lần sinh công 42 Nguyên lý-Các bộ phận chính của động cơ D CẤU TRÚC CỦA ĐỘNG CƠ XĂNG Động cơ xăng bao gồm các bộ phận chính và các... piston ở ngay th i i m đánh lửa sớm, tia lửa i n bu gi nẹt ra đốt cháy hỗn hợp không khí và nhiên liệu Khi nhiên liệu cháy, áp suất cháy đẩy piston di chuyển từ trên xuống Khi piston i xuống đầu piston mở cửa th i và khí cháy từ trong xy lanh thoát ra ngo i ống giảm thanh do sự chênh lệch áp suất Giai đoạn này được g i là th i tự do Cũng trong giai đoạn này, khi piston i xuống đu i piston đóng cửa... khí và nhiên liệu trong xy lanh Trong th i kỳ này, khi đu i piston bắt đầu mở cửa nạp, không khí và nhiên liệu từ bên ngo i được nạp đầy vào các-te, do độ chân không bên trong các-te được hình thành khi piston chuyển động i lên Khi piston ở cu i kỳ nén ngay th i i m đánh lửa sớm, tia lửa i n bu gi l i nẹt ra đốt cháy hỗn hợp không khí – nhiên liệu và chu kỳ thứ hai tiếp diển 41 Nguyên lý-Các bộ phận... hoạt động khác của động cơ 60 Nguyên lý-Các bộ phận chính của động cơ Động cơ sử dụng hệ thống th i i m mở xú pap thay đ i (Variable Valve Timing System) có ưu i m là tăng được mô men ở tốc độ thấp và tốc độ trung bình, tốc độ cầm chừng ổn đònh, tiết kiệm nhiên liệu, ô nhiểm thấp và công suất động cơ đạt t i ưu Hệ thống i u khiển th i i m mở và đóng của xú pap thay đ i liên tục căn cứ vào t i và... hợp không khí-nhiên liệu bên dư i các-te Khi đầu piston mở cửa n i thông từ xy lanh đến cater thì hỗn hợp sẽ được nạp vào xy lanh động cơ và nó sẽ tiếp tục quét khí cháy từ trong xy lanh thoát ra ngo i Giai đoạn này được g i là th i cưỡng bức 40 Nguyên lý-Các bộ phận chính của động cơ 2 KỲ THỨ 2 Năng lượng từ bánh đà làm piston tiếp tục chuyển động Khi piston i lên, đầu piston đóng cửa th i, nó bắt đầu... động cơ đơn giản hơn, số lượng chi tiết giảm i rất nhiều Sau một khoảng th i gian ứng dụng và phát triển, động cơ này không được phát triển vì nó có quá nhiều khuyết i m như khả năng làm kín giữa piston và xy lanh kém, khó làm trơn… Hình A: Cạnh AC: Quá trình nạp hỗn hợp không khí – nhiên liệu Cạnh AB: Quá trình cháy và giãn nở Cạnh BC: Quá trình th i Hình B: Cạnh AB: Quá trình nén Cạnh BC: Sự giãn... của động cơ Đu i piston là phần còn l i của piston, nó dùng để dẫn hướng Sự m i mòn nhiều nhất của phần thân xảy ra theo phương vuông góc v i tâm trục piston Thân piston có dạng oval, đường kính theo phương vuông góc v i trục piston h i lớn hơn đường kính theo phương song song v i trục piston, để bù l i sự giãn nở nhiệt do phần kim lo i bệ trục piston dày hơn các chỗ khác Khi piston làm việc ở nhiệt... của động cơ Nhận xét: Chu kỳ công tác của động cơ xăng hai kỳ được thực hiện trong hai hành trình, tương ứng một vòng quay của trục khuỷu Do các-te chứa hỗn hợp không khí nhiên liệu Vì vậy để làm trơn các chi tiết như trục khuỷu, thanh truyền, piston, xéc măng, lòng xy lanh… ph i pha nhớt vào nhiên liệu Trong giai đoạn th i cưỡng bức, một phần hỗn hợp theo khí th i ra ngo i Vì vậy, động cơ này hao nhiên... nhiên liệu, đồng th i chất lượng làm trơn kém hơn động cơ 4 kỳ nên nó thường được sử dụng cho các lo i xe mô tô gắn máy V ĐỘNG CƠ PISTON QUAY Năm 1954 NSU-Wankel chế tạo thành công động cơ Wankel có piston hình tam giác chuyển động quay, nhiên liệu sử dụng là xăng Nó được chế tạo nhằm để khắc phục các nhược i m của động cơ kiểu piston như trong cơ cấu không có các chi tiết chuyển động tònh tiến, trục . nhược i m của động cơ kiểu piston như trong cơ cấu không có các chi tiết chuyển động tònh tiến, trục khuỷu động cơ đơn giản hơn, số lượng chi tiết giảm i rất nhiều. Sau một khoảng th i gian. nhiên liệu. Động cơ xăng và Diesel là động cơ nhiệt, chúng biến đ i hóa năng của nhiên liệu thành nhiệt năng và từ nhiệt năng biến thành cơ năng để truyền công suất cho ôtô hoạt động. Động cơ. một động cơ. Khi tỉ số nén của động cơ càng lớn, hiệu suất nhiệt và công suất động cơ cao. Tỉ số nén của động cơ xăng ε < 12 bò gi i hạn b i hiện tượng cháy sớm và cháy kích nổ. Khác v i động