Giáo trình Động cơ Đốt trong (Lần 5 sửa đổi, bổ sung) - Phạm Minh Tuấn

Giáo trình Động cơ Đốt trong cung cấp kiến thức nền tảng và chuyên sâu về nguyên lý, cấu tạo, tính toán và vận hành các loại động cơ đốt trong hiện đại.

• Tác giả: Phạm Minh Tuấn
• Trường học: Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ khí
• Đề tài: Động cơ Đốt trong
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Năm xuất bản: 2006
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về giáo trình động cơ đốt trong Phạm Minh Tuấn

Giáo trình Động cơ đốt trong của Phạm Minh Tuấn là tài liệu học thuật dành cho sinh viên cơ khí, được Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật phát hành lần đầu năm 2006 tại Hà Nội. Cuốn sách thuộc lần thứ năm có sửa chữa và bổ sung, thể hiện quá trình cập nhật nội dung liên tục qua nhiều năm giảng dạy. Giáo trình được xây dựng dựa trên tập hợp các bài giảng thực tế tại Bộ môn Động cơ đốt trong, Khoa Cơ khí, trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Nội dung cung cấp kiến thức nền tảng về nguyên lý làm việc và kết cấu động cơ đốt trong. Đây là loại động cơ nhiệt có vai trò quan trọng trong nền kinh tế, cung cấp nguồn động lực cho ô tô, máy kéo, xe máy, tàu thủy, máy bay và nhiều máy công tác khác. Cuốn sách phù hợp với điều kiện thực tiễn Việt Nam, đồng thời bổ sung kiến thức mới và hiện đại về chuyên ngành.

1.1. Mục đích biên soạn giáo trình

Giáo trình được biên soạn nhằm đáp ứng nhu cầu giảng dạy và học tập môn Động cơ đốt trong cho sinh viên cơ khí. Trước khi cuốn sách ra đời, chưa có giáo trình chính thức nào phục vụ môn học này tại các trường đại học Việt Nam. Tác giả Phạm Minh Tuấn đã tổng hợp từ kinh nghiệm giảng dạy lâu năm, kết hợp với kiến thức mới để tạo nên tài liệu toàn diện. Cuốn sách cũng phục vụ làm tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành động lực và ngành ô tô khi bắt đầu học chuyên ngành.

1.2. Đối tượng và phạm vi áp dụng

Đối tượng chính của giáo trình là sinh viên khoa Cơ khí tại các trường đại học kỹ thuật. Ngoài ra, sinh viên ngành động lực, ngành ô tô cũng có thể sử dụng như tài liệu tham khảo khi tiếp cận chuyên ngành. Giáo trình được thiết kế phù hợp với chương trình đào tạo tại Việt Nam, có tính đến điều kiện thực tiễn trong nước. Nội dung bao gồm kiến thức cơ bản đến nâng cao về động cơ đốt trong, từ nguyên lý hoạt động đến kết cấu chi tiết các bộ phận.

II. Phân tích nội dung cơ bản về động cơ đốt trong

Động cơ đốt trong là một loại động cơ nhiệt, trong đó quá trình đốt cháy nhiên liệu và quá trình giãn nở sinh công đều diễn ra ngay trong buồng công tác. Theo giáo trình, động cơ nhiệt được phân loại thành nhiều nhóm: máy hơi nước, tuabin khí, động cơ đốt trong và các động cơ nhiệt khác. Động cơ đốt trong bao gồm động cơ xăng, động cơ diesel và động cơ gas. Lịch sử phát triển động cơ đốt trong bắt đầu từ năm 1860 với động cơ đầu tiên do Lenoir chế tạo, đạt hiệu suất chỉ 2-3%. Năm 1876, Otto tạo ra động cơ chạy khí đốt với hiệu suất 10%. Năm 1886, hãng Daimler-Maybach sản xuất động cơ xăng đầu tiên công suất 0,25 mã lực. Năm 1897, động cơ diesel ra đời với hiệu suất 26%. Giáo trình trình bày chi tiết các thông số kỹ thuật quan trọng đánh giá hiệu suất làm việc của động cơ.

2.1. Các loại hiệu suất động cơ

2.2. Suất tiêu thụ nhiên liệu đặc trưng

III. Kết cấu chi tiết và phương pháp bôi trơn trục khuỷu

Trục khuỷu là bộ phận quan trọng trong động cơ đốt trong, có nhiệm vụ biến chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay. Giáo trình Phạm Minh Tuấn phân tích chi tiết kết cấu cổ khuỷu và chốt khuỷu. Cổ khuỷu thường được làm rỗng để tạo rãnh dẫn dầu bôi trơn đến các vị trí cần thiết trên trục khuỷu. Đường kính cổ khuỷu lớn hơn đường kính chốt khuỷu trong hầu hết trường hợp, trừ động cơ cao tốc có lực quán tính lớn. Chốt khuỷu cũng được gia công và xử lý bề mặt đạt độ cứng, độ bóng cao. Việc bôi trơn chốt khuỷu có nhiều phương pháp kết cấu khác nhau, mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng về khả năng gia công và ảnh hưởng đến sức bền trục khuỷu. Giáo trình trình bày ba vị trí lấy dầu bôi trơn phổ biến trên hình minh họa, giúp sinh viên hiểu rõ nguyên lý thiết kế thực tế.

3.1. Phương pháp dẫn dầu bôi trơn chốt khuỷu

3.2. Thiết kế cổ khuỷu và chốt khuỷu

IV. Giá trị và ứng dụng của giáo trình trong đào tạo

Giáo trình Động cơ đốt trong của Phạm Minh Tuấn có giá trị lớn trong đào tạo kỹ sư cơ khí tại Việt Nam. Cuốn sách cung cấp kiến thức nền tảng vững chắc về nguyên lý làm việc, kết cấu và tính toán động cơ đốt trong. Nội dung được xây dựng từ thực tiễn giảng dạy tại Đại học Bách khoa Hà Nội, đảm bảo tính thực tiễn và khả năng ứng dụng cao. Giáo trình không chỉ phục vụ sinh viên cơ khí mà còn mở rộng cho sinh viên ngành động lực và ô tô. Động cơ đốt trong đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực: vận tải, nông nghiệp, công nghiệp và hàng hải. Tuy nhiên, đây cũng là nguồn gây ô nhiễm môi trường, đặc biệt tại các thành phố lớn. Việc hiểu sâu về động cơ đốt trong giúp kỹ sư cải thiện hiệu suất, giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm phát thải ô nhiễm. Giáo trình là cầu nối giữa lý thuyết và thực hành kỹ thuật.

4.1. Ứng dụng trong đào tạo kỹ thuật

4.2. Ý nghĩa thực tiễn tại Việt Nam

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I NGUYEN LY LAM VIEC CUA DONG CO DOT TRONG Để có thể hiểu được nguyên lý làm việc của động có đốt trong, trước hết phải tìm hiểu bản chất của các nhiên liệu được sử dụng và hỗn họp giữa nhiên liệu với không khí tạo thành hỗn hợp cháy. Do giới hạn của cuốn sách chúng ta chỉ xét động có xàng và động có diesei là những động có phổ biến nhất. Vì vậy, chúng ta cũng chỉ xét nhiên liệu cho các động có này là các nhiên liệu lỏng. Nhiên liệu lỏng dùng trong động có đốt trong Khi tỉnh luyện dầu mỏ hoặc tổng họp nhiên liệu thể khí hay nhiên liệu rấn ta thu được xăng, đầu hỏa, đầu diesel và đầu máy.

Trong số đó xăng .và đầu diesel được sử dụng làm nhiên liệu cho động có đối trong (lit day ta goi ngắn gọn là nhiên liệu). Nhiên liệu thực chất là một hỗn hợp gồm nhiều loại cacbuahydrô với thành phần khác nhau. Chính sự khác nhau về thành phần các loại cacbuahydrô trong nhiên liệu dẫn tối sự phân loại nhiên liệu thành các đạng khác nhau. Diu diesel Dầu diesel là loại nhiên liệu nặng với tỷ trọng / = 0,8 - 0,95 piem?, có tính tự chấy cao (không cần nguồn lửa bên ngoài).

Thanh phan chinh Sö dĩ đầu diesel có tính tự cháy cao vi trong thành phần của nó có nhiều cacbuahydrô no CnHzn,; ở dạng mạch thẳng nên dễ bị phân huỷ ö nhiệt độ cao trong phản ứng oxy hóa tỏa nhiệt, ví dụ xêtan C¡¿H+x¿ (hình 1— 1). H H H H H H H H H H H H | Pity bt bt tay z—o—> zon: Nn: zoos —c— —c¢ —C—C-—-C—c —C—C —C—C—C—C—H z | i bobo dott ft foto H H H H H H HH H H H H Winn 11. Xétag Crofts, một foai cacbuahydré no mạch thẳng b. Ddnh gid tinh tự cháy của dau diesel Xetan C¡¿Hạx¿ là một cacbuahydrô no, dạng mạch thẳng có tính tự cháy cao.

Còn œ - mêtylnaphtalin C¡yH¡ạ là một cacbuahydrô có dạng mạch vòng (hình 1 - 2), có kết cấu phân tử rất bền vững, do đó tính tự cháy rất kém. Để đánh giá tính tự cháy của dầu diesel, người ta sử đụng một thông số gọi là số xêtan (Xe). Để xác định số Xe của một loại đầu diesel, trên một động có thử nghiệm đặc biệt có thể thay đổi được tỷ số nén, theo một qui trình nhất định, người ta thử nghiệm động có với đầu diesel này. Sau đó, người ta tiến hành thử nghiệm tướng tự với nhiên liệu là một hỗn hợp gồm xêtan (C¡sHx¿) và œ- mêtylnaphtalin gọi là nhiên liệu so sánh.

Thành phần xêtan trong hỗn hợp so sánh được điều chỉnh cho đến khi tính tự cháy của hai loại nhiên liệu thử nghiệm là tướng đương. Khi đó, thành phần xêtan tính theo % trong hỗn hợp so sánh được coi là sổ Xe cần xác định của đầu đicsel. : Rõ ràng, số Xe càng lồn thì tính tự cháy của nhiên liệu càng cao và ngược lại. Đối với xêtan, Xe = 100 ; còn đối với œ - mêtylnaphtalin, Xe = 0.

Các loại dau diesel thong dụng có Xe nằm trong khoảng 35 — 55, Ở nước ta thường dùng Hình 1-2. a ~ metylnaphtalin Cito có kết cấu phân tử dang mach vòng đầu D45 và D48 ứng với loại DI và D2 theo TCVN 5689 - 92 có các thông số sau 84 + 88% C, 10 + 14% H, nhiệt trị thấp Qn; = 42500 k]/kg. Xăng Xăng là loại nhiên liệu nhẹ, 2 = 0,65 - 0,8 g/cmẺ, để bay hơi và có tính tự cháy kém. Thành phần chính $6 di xang có tính tự cháy kém vì thành phần của xăng gồm nhiều cacbuahydrò no nhưng có dạng mạch nhánh và cacbuahydrô thỏm nhân benzen là các kết cấu rất bền vững ví dụ như isôôctan CgH¡z và mêiylbenzen C¿HsCHả (hinh 1-3).

H H | 4 CH, H CH, H Ne OSH | to] Ị a H CHnn H H H c HN ae C—C—H | | H a)’ H » Hình 1-3, Sơ đồ cấu rao phân tử : a} ¡sôôcan Calte và b) métylbenzen CaHsCHs Trong động có xăng có một hiện tượng cháy không bình thường gắn với bản chất của động có này là hiện tượng cháy kích nổ. Khác với động có diesel là động có có hỗn hợp nhiên liệu — không khí tự cháy do nén còn hỗn hợp trong động có xăng được đốt cưởng bức bằng tỉa lửa điện. Sau khí bugi bật tỉa lửa điện, màng lửa sẽ lan tràn từ bugi ra khấp buồng cháy để đốt hỗn hợp. Đó là quá trình cháy bình thường.

Nếu ð một vùng nào đó có những nguyên nhân làm tảng nhiệt độ cục bộ và do đó đủ điều kiện để diễn ra tai day qué trình tự bốc cháy khi màng lửa từ bugi chứa lan tràn tối thì đô là quá trình cháy không bình thường gọi là cháy kích nổ. Khi đó, tốc độ cháy rất lồn, mặt khác có sự chèn ép đữ đội giữa hai vùng cháy (vùng cháy do tia lửa điện và vùng cháy kích nổ) nên trong xylanh lớn, có tiếng gõ rất đanh, tải trọng động nhiệt độ và áp suất tại đây rất cao khiến nhiên liệu bị phân hủy nên khí thải có khói đen. Động có rất nóng và rung, công suất giảm và không thể tiếp tục làm việc. Rõ ràng, xăng có cấu trúc phân tử càng bền vững thì tính tự cháy càng kém do đó khó xảy ra kích nổ và ngược lại.

Đánh giá tính chống kích nổ của xăng lsôôctan CuH¡„ (hình 1 - 3) có kết cấu phân từ dạng mạch nhánh nên rất bền vững, có tính chống kích nổ cao. Để đánh giá tính chống kích nổ của xâng, người ta dùng một thông số gọi là số 6ctan (O). Một hỗn hợp của isôôctan CgHụ¿ với hepian CÿH¡¿ — một cacbuahydrô no mạch thẳng-được dùng làm nhiên liệu so sánh với cách thức tướng tự như xác định chỉ số xẻtan của đầu diesel đã trình bày ð trên. Với isôôclan CgH¡ạ O = 100 ; còn đối với heptan C;H¿, O = 0.

Loai xăng nào có trị số 6ctan cing cao thì tính chống kích nổ càng lớn. Xăng ô tô thông thường có trị số ôctan trong khoảng 80 + 100. Hiện nay trên thị trường nước ta phổ biến ba loại xăng sản xuất theo tiêu chuẩn ASTM của Mỹ là MOGAS 90; 92 va 95 với số ôctan tương ứng là 90; 92; 95, Giữa trị số xẻlan (Xe) và trị số ôclan (O) có mối quan hệ rất rõ nét. Nhiên liệu có số Xe càng cao thì có số O càng thấp và ngược lại.

Mối quan hệ này có thể được diễn tả bằng công thức thực nghiệm sau : O = 120 - 2Xe q-Ð 1. HỆ số dự lượng không khí À Trong động có, hỗn hợp giữa nhiên liệu và không khí (gọi ngắn gọn là hỗn họp) được nén và đốt trong xylanh nên tỏa nhiệt và sinh công. Mức độ đậm nhạt hay thành phần của hỗn họp là một thông số làm việc quan trọng của động có. Thành phần của hỗn họp được đánh giá thông qua một thông số đặc biệt gọi là hệ số đư lưng không khí Â và được xác định như sau.

Ta có thể coi rằng, thành phần chủ yếu của nhiên liệu chỉ gồm có các nguyên tố hyđrô, Oxy và cacbon. Nếu gọi thành phần khối lượng của các nguyên tố trên lần lưới là H, O và C, ta có : H+O+C=l a-2 Mỗi loại nhiên liệu cụ thể có các thành phần H, Ơ và C nhất định cho trong cdc tai liệu chuyên môn. Nhiên liệu khi cháy sẽ tỏa nhiệt và tuân theo các phương trình phân ứng sau : C+ OQ, = CO, (3) 2H; + O¿ = 2H¿O (1-4) Căn cứ vao phuong trinh (1-3) va (1-4), ta e6 thé xde dinh các phuong trình cân bằng khổi lượng của các phân ứng 10 12 ke C + 32 kg O; = 44 kg CO, (1-5) 4 kg Hạ + 32 kg O; = 36 kg HO (1-6) Phuong trinh (1-5) va (1-6) viét cho C kg cacbon và H kg hydrô có dạng 8 11 C kg cacbon + 5 C kg Oxy = 3 C kg cacbonic (1-7) H kg hydrô + 8 H kg oxy = 9 H kg nước (1-8) Lượng ôxy (kg) cần thiết cho hai phân dng (J- 7) va (1~8) la 8 7 C+ 8H q-9 Trong l kg nhiên liệu có sẵn O kg ôxy. Vì vậy lướng Ôxy cần thiết trong không khí O,; để đốt cháy hoàn toàn I kg nhiên liệu là 8 Oy, = FC+BH- O (1-10) Ta đã biết, thành phần khối lượng của oxy trong khéng khí là 0,23 còn thành phần thể tích là 0/21.

Từ đó có thể xác định lướng không khí cần thiết để đối cháy hoàn toàn ] kg nhiên liệu Ly, 8 : La = 933 G C+ 8H- O) (kg/kg nhiên liệu) (1-11) Thực tế, bằng thực nghiệm có thể xác định được lượng không khí thực sự nap vao dong có tính cho | kg nhiên liệu là L. Ty số A= “1T+ ° — r11-12 được gọi là hệ số dư lượng không khí và nó đặc trưng cho mức độ đậm nhạt của hôn hợp. Tùy theo loại động có và tùy thuộc vào chế độ làm việc, 4 có thể lớn hón, nhỏ hón hay bằng ], 1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Trước khi xét nguyên lý làm việc của động có cụ thể, ta làm quen với một vài khái niệm có bản để thuận tiện trong quá trình khảo sát sau này.1 Điểm chết Vi trí mà tại đó piston đổi chiều chuyển động gọi là điểm chết.

Có hai điểm chết là điểm chết trên (DCT) và điểm chết dưới (ĐCD) (hình 1-4). Khi piston 6 điểm chết trên và điểm chết dưới, buồng công tắc có thể tích nhỏ nhất Vain và lớn nhất Vay. Khoảng cách giữa hai điểm chết được gọi là hành trình piston 8. Ky Kỳ là một phần của chu trình công tác xây ra trong thdi gian piston dịch chuyển một hành trình.

Theo số kỳ người ta phân động có ra hai loại, động có 2 kỳ và động có 4 kỳ. Động có 2 kỳ là động có có. chủ trình công tác được thực hiện sau 2 hành trình của piston hay ! vòng quay của trục khuỷu. Dong có 4 kỳ là động có có chu trình công tác được thực hiện sau 4 hành trình của piston hay 2 vòng quay của Hình 1-4.

Sơ đồ động cơ trục khuỷu. 1 mục khuyu, 2 thanh truyền, 3. xupap, 5 vôi phạm (dong co diezel) hoặc buợi (động cơ xăng) 6. xupap nap, ĐCT.

điểm chết trên, ĐCD. điểm chết dưới 1. Thể tích công tée Vn Day là thể tích của xiianh giữa hai điểm chết. D2 Vụ = TS (1-18) với D là đường kính xilanh và § là hành trình piston.

Tỷ số nén thở (1-14) 1. NGUYEN LY LAM VIEC CUA DONG CO 4 KY KHONG TANG AP 1.