Chương I. KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1. Giới thiệu chung Kể từ khi con người phát minh được kỹ thuật biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác, mà chủ yếu biến thành cơ năng thì sức lao động con người được được giải phóng đáng kể, năng suất lao động tăng cao. Sự ra đời của động cơ đốt trong đã giúp các phương tiện giao thông vận tải thô sơ trước đó của con người như: xe ngựa, xe bò, xe kéo,… được cơ giới hoá thành các phương tiện giao thông vận tải ngày nay như các loại xe ôtô, máy kéo, tàu thuỷ, tàu hoả, máy bay, ….
Cho đến nay động cơ đốt trong vẫn là nguồn động lực chính dẫn động chúng. Động cơ đốt trong chiếm vai trò quan trọng trong quá trình cơ giới hoá sản xuất mọi lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp, ngư nghiệp, xây dựng, khai thác, hoá chất, dầu mỏ, giao thông vận tải,. Chúng ta có thể tóm lượt lịch sử phát triển của động cơ đốt trong như sau: Năm 1860: Động cơ đốt trong đầu tiên được ra đời do ông Lenoir là một người hầu bàn và một nhà kỹ thuật nghiệp dư ở Paris chế tạo. Động cơ chạy bằng khí đốt, có hiệu suất nhiệt 2 3%.
Được coi là năm ra đời của động cơ đốt trong đầu tiên trên thế giới. Năm 1876: Nicôla Aogut Ôttô một nhà buôn ở thành phố Koin Đức chế tạo một loại động cơ cũng chạy bằng khí đốt nhưng đạt hiệu suất cao hơn với hiệu suất nhiệt 10%. Năm 1877: Nicôla Aogut Ôttô (Đức) phối hợp với Lăng Ghen (Pháp) đề xướng ra nguyên lí động cơ 4 kì và chế tạo thử một chiếc chạy bằng khí than. Năm 1885: Gôlip Đemlơ (Đức) đã chế tạo thành công động cơ đốt trong đầu tiên chạy bằng xăng.
Năm 1886: Hãng Daimler - mayach cho xuất xưởng động cơ xăng đầu tiên có công suất có ích bằng 0,25 mã lực với tốc độ vòng quay 600 vòng/phút. Năm 1892: Động cơ Diesel được phát minh nhờ vào kỹ sư người Đức Rudolf Diesel, hoạt động theo nguyên lý tự cháy. Ở gần cuối quá trình nén, nhiên liệu được phun vào buồng cháy động cơ để hình thành hòa khí rồi tự bốc cháy. Năm 1897: Ruđônphơ Saclơ Sređiêng Diesel (kĩ sư người Đức) đã chế tạo thành công động cơ đốt trong chạy bằng nhiên liệu nặng, công suất 20 mã lực.
Động cơ 1 QNU- Bộ môn Kỹ thuật ô tô Bài giảng: Nguyên lý động cơ đốt trong Diesel đầu tiên ra đời có hiệu suất nhiệt khá cao 26 %. Đến năm 1927: Robert Bosch mới phát triển bơm cao áp (bơm phun Bosch lắp cho động cơ Diesel trên ôtô thương mại và ôtô khách vào năm 1936). Năm 1954: Động cơ piston (píttông) quay do hãng NSU- Wankel chế tạo. Hệ phun xăng điện tử đầu tiên được thương mại hóa bởi Bosch 1955 trên Wright R-3350.
Hệ thống này cải biến trên trên hệ thống diesel có áp lực cao được gắn cánh bướm ga (diesel cổ điển không có bướm ga). Nó dùng một bơm xăng bình thường cung cấp nhiên liệu cho vòi phun được tăng áp vào buồng đốt. Khi kết hợp với valve Desmo trong xe đua 300SL tạo ra một sức >100 mã lực /mỗi 1000 cc xem ra còn tốt hơn các xe ngày nay không xài turbo. Cũng vào năm 1955, Mercedes – Benz đầu tiên ứng dụng phun xăng trực tiếp vào buồng cháy của động cơ 6 cylinder (Mercedes – Benz 300SL) với thiết bị bơm tạo áp suất phun của Bosch.
Tuy nhiên, việc ứng dụng này bị quên lãng do vào thời điểm đó các thiết bị điện tử chưa được phát triển và ứng dụng nhiều cho động cơ ôtô, nên việc điều khiển phun nhiên liệu của động cơ thuần tuý bằng cơ khí, và việc tạo hỗn hợp phân lớp cho động cơ chưa được nghiên cứu như ngày nay. Vì vậy, so với quá trình tạo hỗn hợp ngoài động cơ thì quá trình tạo hỗn hợp trong buồng đốt cũng không khả quan hơn nhưng kết cấu và giá thành thì cao hơn nhiều. Sản phẩm điện tử EFI thương mại đầu tiên là Electrojector ra đời 1957 do American Motors cho động cơ 288 bhp (214. Nhưng chưa đưa vào sản xuất đại trà.
Năm 1957: Chrysler sử dụng hệ phun xăng điện tử EFI (electronic fuel injection) ra đời trên thương mại bởi Bendix Corporation và 1958 Chrysler trên xe Chrysler 300D, Dodge D500, Plymouth Fury và DeSoto Adventurer. Nhưng bản quyền sáng chế lại về tay Bosch. Năm 1967: Bosch phát minh hệ EFI gọi là D-Jetronic (D for Druck, German =áp suất) trên xe VW 1600TL. Đây là một hệ dùng vận tốc và tỉ trọng không khí để tính toán khối lượng khí cần rồi từ đó tính thể tích nhiện liệu cần.
Hệ thống này sử dụng những cảm biến cơ điện tử là những thứ bị ảnh hưởng bởi rung động và tạp chất. Sau đó, Năm 1967: các hệ K-Jetronic và L-Jetronic ra đời. Các hệ thống này dùng cảm biến lưu lượng khí nạp, kế tiếp các cảm biến về áp suất, nhiệt độ không khí nạp sau đó đến cảm biến khối lượng không khí nạp ra đời. Năm 1982: Bosch giới thiệu một hệ có cảm biến đo trực tiếp khối lượng khí nạp 2 QNU- Bộ môn Kỹ thuật ô tô Bài giảng: Nguyên lý động cơ đốt trong gọi đó là LH-Jetronic (L for Luftmasse and H for Hitzdraht, German for "air mass" and "hot wire", respectively).
Cảm biến này dùng một cuộn platin nung nóng đặt trong luồng khí nạp. Tốc độ làm lạnh cuộn dây tỉ lệ với khối lượng khí thổi qua đo trực tiếp khối lượng khí. LH Jetronic: là một hệ EFI hoàn chỉnh đầu tiên làm cơ bản cho sau này. Sự tiến bộ của việc tạo ra những vi mạch số (digital microprocessor) cho phép tổng hợp về một nguồn điều khiển chung.
Với sự phát minh của EFI, Honda đã áp dụng ngay phương pháp này cho xe của hãng mình. Với một số kiểu xe giá rẻ ở Bắc Mỹ dùng EFI dưới tên gọi PGM-FI vào cuối thập niên 1980 trên dòng xe Accord và Prelude trang bị động cơ Honda A20A, A20A3 và A20A4. Năm 1986, Honda Civic gắn PGM-FI. Năm 1998, xe gắn máy đầu tiên trên thế giới sử dụng PGM-FI là VFR800FI.
Năm 1986: Bosch đã đưa ra thị trường việc điều khiển điện tử cho hệ thống cung cấp nhiên liệu Diesel được gọi là hệ thống nhiên liệu Common Rail. Đến năm 1996, với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật điện tử, động cơ xăng ứng dụng phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt được Mitsubishi Motors đưa trở lại thị trường tại Nhật với tên mới đó là GDI (Gasoline direct injection), và tiếp theo đó nó xuất hiện tại châu Âu vào năm 1998. Mitsubishi đã áp dụng kỹ thuật này sản xuất hơn 400.000 động cơ cho dòng xe 4 chỗ đến trước năm 1999. Tiếp theo sau, là hàng loạt các hãng nổi tiếng như PSA Peugeot Citron, Daimler Chrysler (với sự cho phép của Mitsubishi) cũng đã áp dụng kỹ thuật này cho dòng động cơ của mình vào khoảng năm 2000 – 2001.
Volkswagen/Audi cũng cho ra mắt động cơ GDI vào năm 2001 nhưng dưới tên gọi FSI (Fuel Stratified Injection). BMW không chịu thua kém đã cho ra đời động cơ GDI V12. Các nhà sản xuất xe hàng đầu như General Motors cũng đã áp dụng kỹ thuật GDI cho động cơ của mình để cho ra đời dòng xe mới vào những năm 2002. Sau cùng đó là Toyota cũng phải từ bỏ việc tạo hỗn hợp ngoài động cơ để chuyển sang tạo hỗn hợp trong buồng đốt và đã ra mắt thị trường với động cơ 2GR – FSE V6 vào đầu năm 2006.
Ngày nay, với những điều luật khắc khe về ô nhiễm khí xả nhiều loại động cơ khác nhau như: động cơ điện, tua bin khí, tua bin nước, động cơ chạy bằng nhiên liệu khí, năng lượng mặt trời,. đã được nghiên cứu và sản xuất. Song thực tế chưa thể hoàn toàn thay thế động cơ đốt trong dùng nhiên liệu lỏng (xăng, diesel) tinh chế từ dầu mỏ, đặc biệt là các loại động cơ đốt trong của ôtô, máy kéo, máy xây dựng, máy phát điện, tàu thủy, … do các lý do (giá thành chế tạo cao, không tiện dụng, không 3 QNU- Bộ môn Kỹ thuật ô tô Bài giảng: Nguyên lý động cơ đốt trong nhỏ gọn, vấn đề tích trữ năng lượng, cơ sở hạ tầng, tâm lý người dùng, vấn đề an toàn, …). Do đó, động cơ đốt trong vẫn chiếm tỉ trọng rất lớn trong tổng năng lượng được sử dụng trên toàn thế giới.
Định nghĩa và phân loại động cơ đốt trong 1. Động cơ nhiệt: Động cơ nhiệt là một loại máy biến đổi nhiệt năng của nhiên liệu thành cơ năng. Có thể phân quá trình công tác của động cơ nhiệt thành hai quá trình cơ bản như sau: Thứ nhất: là quá trình đốt cháy nhiên liệu, giải phóng hoá năng thành nhiệt năng và gia nhiệt cho môi chất công tác. Trong giai đoạn này xảy ra các hiện tựợng lý hoá rất phức tạp.
Thứ hai: là quá trình biến đổi trạng thái của môi chất công tác, hay nói cách khác, môi chất công tác thực hiện chu trình nhiệt động để biến đổi một phần nhiệt năng thành cơ năng. Trên cơ sở đó ta có thể phân loại động cơ nhiệt thành hai loại chính là động cơ đốt ngoài và động cơ đốt trong. Ở động cơ đốt ngoài, ví dụ máy hơi nứớc cổ điển trên tàu hoả, hai giai đoạn trên xảy ra ở hai nơi khác nhau. Giai đoạn thứ nhất xảy ra tại buồng đốt và nồi hơi (xúp-de), kết quả đựợc hơi nước có áp suất và nhiệt độ cao.
Còn giai đoạn thứ hai là quá trình giãn nở của hơi nước trong buồng công tác và sinh công làm quay bánh xe. Còn ở động cơ đốt trong, hai giai đoạn trên diễn ra tại cùng một vị trí, đó là bên trong buồng cháy của động cơ. Hai loại động cơ nói trên đều có hai kiểu kết cấu, đó là động cơ kiểu piston và kiểu tuốc-bin. Trong giáo trình này, chỉ xét đến động cơ đốt trong kiểu piston và từ đây gọi tắt là động cơ đốt trong hay động cơ.
So sánh động cơ đốt trong và động cơ khác: 1. Ưu điểm - Hiệu suất có ích e lớn nhất, có thể đạt tới 50% hoặc hơn nữa. Trong khi đó, máy hơi nước cổ điển kiểu piston chỉ đạt khoảng 16%, tuốc bin hơi nước từ 22 đến 28%, còn tuốc bin khí cũng chỉ tới 30%. Lý do chủ yếu là vì chu trình Các-nô tương đương của động cơ đốt trong có chênh lệch nhiệt độ trung bình của nguồn nóng và nguồn lạnh lớn nhất (Theo định luật Các-nô hiệu suất nhiệt t = 1 − T2 T1 , trong đó Tl nhiệt độ nguồn nóng và T2 là nhiệt độ nguồn lạnh).