Giáo Trình Động Cơ Đốt Trong: Cấu Tạo và Nguyên Lý Làm Việc

• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật
• Chuyên ngành: Cơ Khí
• Đề tài: Giáo Trình Động Cơ Đốt Trong: Cấu Tạo và Nguyên Lý Làm Việc
• Loại tài liệu: Giáo Trình
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

• 1. CHƯƠNG I: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
• 1.1. KHÁI NIỆM
• 1.2. PHÂN LOẠI
• 1.3. SƠ ĐỒ CẤU TẠO CHUNG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
• 1.4. MỘT SỐ THUẬT NGỮ VÀ ĐỊNH NGHĨA CƠ BẢN
• 1.5. CHU TRÌNH LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ CÓ CHẾ HOÀ KHÍ 1 XI-LANH 4 KỲ
• 1.6. CHU TRÌNH LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐIÊZEN 1 XI-LANH 4 KỲ
• 1.7. CHU TRÌNH LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ CÓ CHẾ HOÀ KHÍ 1 XI-LANH 2 KỲ
• 1.8. CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ
• 1.9. ĐỘNG CƠ NHIỀU XI-LANH

I. Tổng quan giáo trình động cơ đốt trong và ứng dụng

Giáo trình động cơ đốt trong cung cấp nền tảng kiến thức khoa học, hệ thống về cấu tạo và nguyên lý làm việc của một trong những cỗ máy quan trọng nhất trong lịch sử công nghệ. Đây là loại động cơ nhiệt mà quá trình đốt cháy nhiên liệu và biến đổi nhiệt năng thành công cơ học được thực hiện ngay bên trong không gian làm việc của động cơ, thường là xi lanh. Theo tài liệu gốc của KS. Phùng Minh Hiên, động cơ đốt trong được định nghĩa: "Động cơ nhiệt có quá trình đốt cháy nhiên liệu và sự biến đổi nhiệt lượng sinh ra trong quá trình đốt cháy đó tạo ra công cơ học được thực hiện ở bên trong xi-lanh động cơ thì đó là động cơ đốt trong." Sự ra đời và phát triển của loại động cơ này đã tạo ra một cuộc cách mạng trong nhiều lĩnh vực, từ giao thông vận tải, nông nghiệp, xây dựng đến quân sự. Ưu điểm vượt trội của chúng so với động cơ hơi nước là kích thước và trọng lượng nhỏ gọn, hiệu suất nhiên liệu cao, và khả năng khởi động nhanh chóng. Các phương tiện như ô tô, xe máy, tàu thủy, máy bay, và các loại máy công trình đều dựa vào sức mạnh của động cơ đốt trong. Việc nắm vững kiến thức từ giáo trình động cơ đốt trong không chỉ quan trọng đối với sinh viên ngành cơ khí động lực mà còn cần thiết cho những kỹ thuật viên vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa. Hiểu rõ về cấu tạo và nguyên lý làm việc là chìa khóa để chẩn đoán sự cố, tối ưu hóa hiệu suất và kéo dài tuổi thọ của động cơ. Bài viết này sẽ hệ thống hóa các kiến thức cốt lõi, từ các bộ phận cơ bản như piston, trục khuỷu đến các chu trình hoạt động phức tạp, giúp người đọc có cái nhìn toàn diện và sâu sắc.

1.1. Định nghĩa chính xác về động cơ đốt trong theo tài liệu

Động cơ đốt trong là một loại động cơ nhiệt, nơi năng lượng hóa học của nhiên liệu được chuyển hóa thành nhiệt năng, sau đó biến đổi thành công cơ học. Điểm đặc trưng cốt lõi là quá trình đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và không khí (gọi là hòa khí) diễn ra ngay trong một không gian kín gọi là buồng đốt, nằm bên trong xi lanh của động cơ. Áp suất cao sinh ra từ quá trình cháy sẽ đẩy piston di chuyển, tạo ra chuyển động tịnh tiến. Chuyển động này sau đó được truyền qua thanh truyền để làm quay trục khuỷu, tạo ra chuyển động quay hữu ích để vận hành máy móc. Đây là điểm khác biệt cơ bản so với động cơ đốt ngoài (ví dụ như động cơ hơi nước), nơi quá trình đốt cháy nhiên liệu diễn ra bên ngoài xi lanh.

1.2. Phân loại các loại động cơ đốt trong phổ biến hiện nay

Việc phân loại động cơ đốt trong có thể dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau để phục vụ cho mục đích nghiên cứu và ứng dụng. Dựa trên chu kỳ làm việc, có động cơ 4 kỳ (chu trình hoàn thành sau hai vòng quay của trục khuỷu) và động cơ 2 kỳ (chu trình hoàn thành sau một vòng quay). Dựa trên loại nhiên liệu sử dụng, có động cơ xăng (sử dụng bugi để đốt cháy cưỡng bức) và động cơ diesel (nhiên liệu tự bốc cháy dưới áp suất và nhiệt độ cao). Ngoài ra, động cơ còn được phân loại theo phương pháp tạo hỗn hợp đốt (bên ngoài hay bên trong xi lanh), cách bố trí xi lanh (thẳng hàng, chữ V, hình sao), và số lượng xi lanh (một xi lanh hoặc nhiều xi lanh). Mỗi loại đều có ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng riêng biệt, được lựa chọn tùy thuộc vào yêu cầu về công suất động cơ, hiệu suất và chi phí.

II. Giải mã cấu tạo động cơ đốt trong qua sơ đồ chi tiết

Để hiểu rõ nguyên lý làm việc của động cơ đốt trong, trước tiên cần nắm vững cấu tạo của nó. Một động cơ đốt trong điển hình là một tổ hợp phức tạp gồm nhiều cơ cấu và hệ thống, phối hợp nhịp nhàng để tạo ra công suất. Về cơ bản, cấu tạo động cơ được chia thành các cơ cấu và hệ thống chính. Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền là trái tim của động cơ, có nhiệm vụ biến chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu. Cơ cấu phân phối khí (cơ cấu phân phối khí) điều khiển việc nạp hỗn hợp làm việc mới và thải khí đã cháy ra khỏi xi lanh. Bên cạnh đó là các hệ thống phụ trợ không thể thiếu: hệ thống cung cấp nhiên liệu chịu trách nhiệm chuẩn bị và đưa nhiên liệu vào buồng đốt; hệ thống bôi trơn giảm ma sát và mài mòn; hệ thống làm mát duy trì nhiệt độ làm việc ổn định; hệ thống đánh lửa (đối với động cơ xăng) tạo ra tia lửa điện đúng thời điểm; và hệ thống khởi động. Mỗi bộ phận, từ những chi tiết nhỏ như xupap nạp, xupap xả đến các cụm lớn như thân máy, đều được thiết kế với độ chính xác cao để chịu được áp suất và nhiệt độ khắc nghiệt trong quá trình vận hành. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo chung cho thấy sự liên kết chặt chẽ và logic giữa các thành phần này.

2.1. Phân tích nhóm các bộ phận cố định thân máy và xi lanh

Nhóm các bộ phận cố định tạo thành bộ khung xương cho động cơ, là nơi lắp đặt tất cả các chi tiết và hệ thống khác. Thân động cơ (thân máy) là chi tiết chính, thường được đúc bằng gang xám, có nhiệm vụ liên kết các xi lanh, trục khuỷu và các bộ phận khác thành một khối thống nhất. Bên trong thân máy có các khoang chứa (áo nước) để hệ thống làm mát hoạt động. Xi lanh là không gian làm việc chính, nơi piston chuyển động tịnh tiến và diễn ra các quá trình nạp, nén, nổ, xả. Bề mặt bên trong của xi lanh được gia công với độ chính xác rất cao để đảm bảo độ kín và giảm ma sát.

2.2. Tìm hiểu nhóm các bộ phận di động piston trục khuỷu

Nhóm các bộ phận di động là những chi tiết trực tiếp tham gia vào quá trình biến đổi năng lượng. Piston có dạng hình trụ, chuyển động tịnh tiến trong xi lanh, trực tiếp nhận áp lực từ khí cháy và truyền lực qua chốt piston tới thanh truyền. Thanh truyền là chi tiết nối giữa piston và trục khuỷu, có nhiệm vụ truyền lực và biến chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu. Trục khuỷu là một trong những bộ phận quan trọng và phức tạp nhất, nhận lực từ thanh truyền để tạo ra mô men xoắn quay, từ đó dẫn động các hệ thống khác và truyền công suất ra ngoài. Chuyển động nhịp nhàng của nhóm chi tiết này tạo nên chu kỳ làm việc của động cơ.

2.3. Vai trò của các hệ thống phụ trợ quan trọng trong động cơ

Để động cơ hoạt động ổn định và bền bỉ, không thể thiếu các hệ thống phụ trợ. Hệ thống bôi trơn có nhiệm vụ đưa dầu đến các bề mặt ma sát, làm giảm mài mòn, làm mát và làm sạch các chi tiết. Hệ thống làm mát (bằng nước hoặc không khí) giúp tản nhiệt, duy trì nhiệt độ động cơ trong giới hạn cho phép, tránh quá nhiệt gây hư hỏng. Hệ thống cung cấp nhiên liệu đảm bảo cung cấp hỗn hợp nhiên liệu và không khí với tỷ lệ phù hợp cho từng chế độ làm việc. Đối với động cơ xăng, hệ thống đánh lửa tạo ra tia lửa điện cao thế từ bugi để đốt cháy hòa khí vào cuối kỳ nén, quyết định thời điểm sinh công của động cơ.

III. Hướng dẫn nguyên lý làm việc của động cơ đốt trong 4 kỳ

Nguyên lý làm việc của động cơ đốt trong là một chu trình khép kín, lặp đi lặp lại để liên tục sinh công. Phổ biến nhất hiện nay là nguyên lý của động cơ 4 kỳ, một chu trình làm việc hoàn chỉnh diễn ra trong bốn hành trình của piston, tương ứng với hai vòng quay của trục khuỷu. Bốn hành trình này được gọi là bốn kỳ: Kỳ nạp - nén - nổ - xả. Mặc dù trình tự bốn kỳ là giống nhau, nhưng cách thức hoạt động của động cơ xăng và động cơ diesel có những điểm khác biệt cơ bản, chủ yếu liên quan đến cách hình thành hòa khí và phương pháp đốt cháy. Động cơ xăng hoạt động theo chu trình Otto, trong đó hỗn hợp xăng và không khí được hòa trộn trước khi nạp vào xi lanh và được đốt cháy bằng tia lửa điện từ bugi. Ngược lại, động cơ diesel hoạt động theo chu trình Diesel, chỉ nạp không khí vào xi lanh, nén ở áp suất và nhiệt độ rất cao, sau đó nhiên liệu diesel được phun vào và tự bốc cháy. Hiểu rõ bốn kỳ này là nền tảng để phân tích hiệu suất, công suất động cơ và các vấn đề kỹ thuật liên quan.

3.1. Phân tích chu trình Otto Kỳ nạp nén nổ xả

Chu trình làm việc của động cơ xăng 4 kỳ bao gồm bốn quá trình riêng biệt. Kỳ Nạp: Piston di chuyển từ điểm chết trên (ĐCT) xuống điểm chết dưới (ĐCD), xupap nạp mở, hỗn hợp xăng và không khí được hút vào xi lanh. Kỳ Nén: Piston di chuyển từ ĐCD lên ĐCT, cả hai xupap đều đóng, hòa khí bị nén lại làm tăng áp suất và nhiệt độ. Gần cuối kỳ nén, bugi phát ra tia lửa điện. Kỳ Nổ (Sinh công): Hỗn hợp khí bị đốt cháy, giãn nở nhanh chóng tạo ra áp suất rất lớn đẩy piston đi từ ĐCT xuống ĐCD. Đây là kỳ duy nhất sinh công trong chu trình. Kỳ Xả: Piston di chuyển từ ĐCD lên ĐCT, xupap xả mở, đẩy khí cháy ra khỏi xi lanh. Chu trình sau đó lặp lại.

3.2. Sự khác biệt trong chu trình Diesel và động cơ Diesel

Điểm khác biệt cốt lõi của chu trình Diesel so với chu trình Otto nằm ở kỳ nạp và quá trình đốt cháy. Trong kỳ nạp, động cơ Diesel chỉ hút không khí sạch vào xi lanh. Đến kỳ nén, không khí này bị nén với một tỷ số nén rất cao (từ 14.5 đến 18 theo tài liệu), làm nhiệt độ không khí tăng lên đến mức có thể tự đốt cháy nhiên liệu. Gần cuối kỳ nén, vòi phun nhiên liệu sẽ phun dầu diesel dưới dạng sương mù vào buồng đốt. Dưới tác động của nhiệt độ và áp suất cao, nhiên liệu tự bốc cháy mà không cần bugi. Quá trình cháy và sinh công diễn ra, sau đó là kỳ xả tương tự động cơ xăng. Sự khác biệt này làm cho động cơ diesel có hiệu suất nhiệt cao hơn và mô men xoắn lớn hơn ở vòng tua thấp.

IV. So sánh chi tiết cấu tạo và nguyên lý động cơ 2 kỳ 4 kỳ

Bên cạnh động cơ 4 kỳ phổ biến, động cơ 2 kỳ cũng có những ứng dụng quan trọng, đặc biệt trong các thiết bị yêu cầu sự nhỏ gọn và tỷ lệ công suất trên trọng lượng cao. Sự khác biệt cơ bản nằm ở chỗ động cơ 2 kỳ hoàn thành một chu trình làm việc chỉ trong hai hành trình của piston, tương ứng với một vòng quay của trục khuỷu. Điều này có nghĩa là kỳ sinh công xảy ra trong mỗi vòng quay, giúp động cơ 2 kỳ về lý thuyết có thể tạo ra công suất gấp đôi động cơ 4 kỳ có cùng dung tích xi lanh. Tuy nhiên, để đạt được điều này, cấu tạo của nó phải được thay đổi đáng kể. Thay vì dùng cơ cấu phân phối khí với trục cam và xupap phức tạp, động cơ 2 kỳ thường sử dụng chính piston để đóng/mở các cửa nạp, cửa xả và cửa quét được bố trí trên thành xi lanh. Nguyên lý làm việc này tuy đơn giản hơn về mặt cơ khí nhưng lại dẫn đến những nhược điểm về hiệu suất nhiên liệu và khí thải. Việc so sánh giữa hai loại động cơ này là một phần quan trọng trong giáo trình động cơ đốt trong.

4.1. Cấu tạo đặc trưng của động cơ đốt trong 2 kỳ

Cấu tạo của động cơ 2 kỳ được tối giản hóa. Nó không có hệ thống xupap, trục cam, con đội hay đòn gánh. Thay vào đó, trên thành xi lanh có các cửa khí: cửa nạp, cửa xả, và cửa quét (hay cửa thổi). Piston khi di chuyển lên xuống sẽ làm nhiệm vụ đóng và mở các cửa này. Quá trình nạp và nén được gộp trong hành trình piston đi lên, trong khi quá trình nổ và xả (đồng thời quét khí mới vào) được gộp trong hành trình piston đi xuống. Hộp trục khuỷu (cacte) thường được thiết kế kín để đóng vai trò như một buồng bơm sơ cấp, nén trước hòa khí trước khi đưa vào xi lanh qua cửa quét.

4.2. Ưu và nhược điểm khi vận hành động cơ 2 kỳ so với 4 kỳ

Ưu điểm chính của động cơ 2 kỳ là cấu tạo đơn giản, trọng lượng nhẹ, chi phí sản xuất và bảo trì thấp hơn. Do sinh công mỗi vòng quay, nó có tỷ lệ công suất động cơ trên trọng lượng cao và khả năng tăng tốc nhanh. Tuy nhiên, nhược điểm của nó cũng rất đáng kể. Quá trình thải khí cháy và nạp khí mới diễn ra đồng thời nên một phần nhiên liệu mới có thể bị lọt ra ngoài theo đường xả, gây lãng phí và ô nhiễm môi trường. Dầu bôi trơn thường được pha vào xăng nên quá trình bôi trơn không hiệu quả bằng hệ thống bôi trơn của động cơ 4 kỳ, dẫn đến tuổi thọ thấp hơn và động cơ nhanh bị mài mòn.

V. Các chỉ số kỹ thuật cốt lõi của động cơ đốt trong

Để đánh giá và so sánh hiệu năng của các động cơ đốt trong, cần dựa vào các chỉ số và thông số kỹ thuật cơ bản. Những thông số này được trình bày chi tiết trong các tài liệu kỹ thuật ô tô và giáo trình chuyên ngành. Các định nghĩa cơ bản bao gồm hành trình piston (S), thể tích làm việc của xi lanh (Vh), và thể tích buồng đốt (Vc). Từ những thông số này, ta có thể tính toán được các chỉ số quan trọng hơn. Tỷ số nén (ε) là một trong những đại lượng quan trọng nhất, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất nhiệt và công suất của động cơ. Công suất động cơ (N) và mô men xoắn (M) là hai đại lượng thể hiện khả năng sinh công và sức kéo của động cơ, thường được biểu diễn qua đồ thị đặc tính. Suất tiêu hao nhiên liệu (ge) cho biết mức độ hiệu quả kinh tế của động cơ. Việc hiểu rõ ý nghĩa và cách tính toán các chỉ số này là cực kỳ cần thiết để phân tích, lựa chọn và vận hành động cơ một cách tối ưu, phản ánh đúng kiến thức từ giáo trình động cơ đốt trong.

5.1. Tầm quan trọng của tỷ số nén ε trong hiệu suất động cơ

Tỷ số nén (ε) được định nghĩa là tỷ lệ giữa thể tích toàn phần (khi piston ở ĐCD) và thể tích buồng đốt (khi piston ở ĐCT). Đây là một chỉ số không thứ nguyên, biểu thị mức độ hỗn hợp làm việc bị nén lại trong kỳ nén. Về lý thuyết, tỷ số nén càng cao, hiệu suất nhiệt của động cơ càng lớn, đồng nghĩa với việc động cơ mạnh hơn và tiết kiệm nhiên liệu hơn. Tuy nhiên, tỷ số nén bị giới hạn bởi khả năng chống kích nổ của nhiên liệu. Động cơ xăng thường có tỷ số nén thấp hơn (từ 5,0 đến 9,5 theo tài liệu) để tránh hiện tượng nổ sớm. Trong khi đó, động cơ diesel, với nguyên lý tự cháy, đòi hỏi tỷ số nén rất cao (từ 14,5 đến 18) để đạt được nhiệt độ cần thiết cho quá trình đốt cháy.

5.2. Hiểu đúng về công suất động cơ và mô men xoắn

Công suất động cơ (thường đo bằng mã lực - HP, hoặc Kilowatt - kW) đại diện cho tốc độ sinh công của động cơ. Công suất càng lớn, động cơ càng có khả năng đạt được tốc độ cao. Mô men xoắn (đo bằng Newton-mét - Nm, hoặc Pound-feet - Lb-ft) đại diện cho sức kéo hay khả năng tạo ra lực quay của động cơ tại trục khuỷu. Mô men xoắn càng lớn, xe càng có khả năng tải nặng và tăng tốc tốt từ vị trí đứng yên. Hai đại lượng này có mối quan hệ chặt chẽ với số vòng quay của động cơ. Thông thường, mô men xoắn đạt cực đại ở vòng tua máy thấp đến trung bình, trong khi công suất đạt cực đại ở vòng tua cao hơn. Một động cơ tốt là động cơ có dải mô men xoắn và công suất hữu ích rộng, phù hợp với mục đích sử dụng.

VI. Tổng kết giáo trình động cơ đốt trong và xu hướng mới

Giáo trình động cơ đốt trong đã cung cấp một cái nhìn toàn diện về cấu tạo và nguyên lý làm việc của loại động cơ này, từ những khái niệm cơ bản như xi lanh, piston đến các chu trình nhiệt động lực học phức tạp như chu trình Otto và chu trình Diesel. Kiến thức này là nền tảng không thể thiếu cho ngành cơ khí động lực và kỹ thuật ô tô. Qua phân tích, có thể thấy rằng động cơ đốt trong là một cỗ máy tinh vi, kết quả của hàng trăm năm nghiên cứu và phát triển. Mỗi cơ cấu, mỗi hệ thống đều đóng một vai trò quan trọng, từ cơ cấu trục khuỷu thanh truyền, cơ cấu phân phối khí, đến các hệ thống bôi trơn, làm mát, và cung cấp nhiên liệu. Tuy nhiên, trước những thách thức về cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch và các quy định ngày càng nghiêm ngặt về khí thải, động cơ đốt trong đang đứng trước một bước chuyển mình mạnh mẽ. Các nhà sản xuất liên tục nghiên cứu và áp dụng các công nghệ mới để cải thiện hiệu suất, giảm tiêu hao nhiên liệu và hạn chế tác động đến môi trường, mở ra một chương mới cho tương lai của loại động cơ này.

6.1. Tóm tắt kiến thức trọng tâm về cấu tạo và nguyên lý

Kiến thức trọng tâm của chủ đề này xoay quanh hai khía cạnh chính. Về cấu tạo, động cơ bao gồm các bộ phận cố định (thân máy, nắp máy) và các bộ phận di động (piston, thanh truyền, trục khuỷu) cùng với các hệ thống phụ trợ (bôi trơn, làm mát, nhiên liệu, đánh lửa). Về nguyên lý, động cơ hoạt động theo một chu trình tuần hoàn (động cơ 2 kỳ hoặc động cơ 4 kỳ) để biến nhiệt năng từ việc đốt cháy nhiên liệu thành công cơ học thông qua bốn quá trình cốt lõi: kỳ nạp - nén - nổ - xả. Sự khác biệt giữa động cơ xăng và động cơ diesel nằm ở cách tạo hòa khí và phương pháp đốt cháy, dẫn đến sự khác nhau về tỷ số nén và đặc tính hoạt động.

6.2. Xu hướng phát triển và tương lai của động cơ đốt trong

Tương lai của động cơ đốt trong gắn liền với các công nghệ nhằm tăng hiệu suất và giảm phát thải. Các xu hướng chính bao gồm: công nghệ phun nhiên liệu trực tiếp (GDI), tăng áp (turbocharger/supercharger) để giảm dung tích động cơ (downsizing), hệ thống biến thiên thời điểm và độ nâng xupap (VVT, VVL), và hybrid hóa (kết hợp động cơ đốt trong với động cơ điện). Các vật liệu mới nhẹ hơn và bền hơn cũng được áp dụng để giảm trọng lượng và ma sát. Dù xe điện đang phát triển mạnh mẽ, động cơ đốt trong hiệu suất cao, sử dụng nhiên liệu sinh học hoặc nhiên liệu tổng hợp (e-fuel) vẫn sẽ đóng một vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực trong nhiều năm tới, đặc biệt là trong vận tải hạng nặng và hàng không.