Động cơ đốt trong là gì?
Động cơ đốt trong là một loại động cơ nhiệt. Động cơ nhiệt nói chung là những máy biến đổi nhiệt thành công. Động cơ đốt trong là một loại động cơ nhiệt trong đó quá trình đốt cháy nhiên liệu để cấp nhiệt và quá trình giãn nở sinh công của môi chất công tác (sản vật, cháy) đều được thực hiện ngay trong buồng công tác của động cơ. Nói chung, có thể phân loại động cơ đốt trong thuộc hệ thống động cơ nhiệt theo sơ đồ dưới dây :
Hình 1. Động cơ đốt trong họ các động cơ nhiệt
Động cơ đốt trong đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế, nó là nguồn động lực cho các phương tiện vận tải như ô tô, máy kéo, xe máy, tàu thủy, máy bay và các máy công tác như máy phát điện, bơm nước… Mặt khác, động cơ đốt trong, đặc biệt là động cơ ô tô, là một trong những nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường, nhất là ở thành phố.
Vài nét về lịch sử phát triển động cơ đốt trong
Trong lịch sử phát triển của động cơ đốt trong có một vài mốc đáng ghi nhớ sau :
– 1800 ; Động cơ đốt trong đầu tiên 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 = 2 + 3%
– 1870 : Ôtô một nhà buôn ở thành phố KoLn nước Đức chế tạo một loại động cơ cũng chạy khí đốt nhưng đại hiệu suất cao hơn là 10%.
– 1886 : Hãng Daimlcr – Maybach cho xuất xưởng động có xăng đầu tiên có công suất là 0,25 mã lực và tốc độ vòng quay n = 600 v/ph.
– 1897 : Động cơ điesel đầu tiên ra đời có hiệu suất khá cao là 26%.
– 1954 : Động cơ piston quay do hãng NSU-Wankcl chế tạo nổi bật về tính gọn nhẹ.
Ngành chế tạo động cơ đốt trong phát triển rất mạnh. Hiện nay sản lượng hàng năm ước tính 40 triệu chiếc với dải công suất từ 0,1 Kw đến khoảng 70.000 kW cho các lĩnh vực kinh tế như giao thông vận tải, xây dựng, nông nghiệp, lâm nghiệp, năng lượng… và gia dụng.
Phân loại động cơ đốt trong
Có rất nhiều loại động cơ đốt trong tuy nhiên tùy vào động cơ đốt trong sử dụng loại nhiên liêu hoặc có kết cấu, sự truyền động … khác nhau nên người ta phân loại động cơ đốt trong theo các loại sau:
a. Theo nhiên liệu: động cơ xăng, động cơ diesel và động cơ gas còn gọi là động cơ chạy khí
b. Theo cách thức đốt nhiên liệu trong buồng cháy: đốt cưỡng bức bằng tia lửa điện như trong động cơ xăng, động cơ khí và đốt do tự cháy như ở động cơ diesel
c. Theo số xylanh: động cơ 1 xylanh và động cơ nhiều xylanh.
d. Theo cách bố trí dãy xylanh đối với động cơ nhiều xylanh: động cơ một hàng xylanh, chữ V (hình 2a) hay động cơ hình sao (bình 2b). Động cơ hình sao thường dùng cho máy bay.
e. Theo loại chuyển động của piston: động cơ piston chuyển động tịnh tiến hay gọi ngắn gọn là động cơ piston và động cơ piston quay hay còn gọi là động cơ roto như động cơ Wankel.
f. Theo điều kiện nạp: động cơ tăng áp và động cơ không tăng áp.
g. Theo số hành trình piston trong một chu trình: động cơ hai kỳ và động cơ bốn kỳ
h. Theo phương pháp làm mát: động cơ làm mát bằng nước và động cơ làm mát bằng gió.
i. Theo tốc độ của piston: động cơ tốc độ thấp, tốc độ trung bình và động cơ cao tốc.
Hình 2. a) động cơ chữ V và b) động cơ hình sao
Ưu nhược điểm của động cơ đốt trong
Khi so sánh với các động cơ nhiệt khác, động cơ đốt trong có những ưu điểm nổi bật sau:
– Hiệu suất cao đến 50%, trong khi đó hiệu suất của máy hơi nước kiểu piston 16%, của tuabin hơi 22 – 28% và của tuabin khí 30%.
– Kích thước và trọng lượng nhỏ, công suất riêng lớn do mọi quá trình biến đổi trạng thái của môi chất thực hiện bên trong buồng công tác của động cơ.
– Ngoài ra, do dùng nhiên liệu có nhiệt trị cao nên rất thích họp trên các phương tiện vận tải với điều kiện làm việc di động.
– Khỏi động, vận hành, chăm sóc, bảo dưỡng, sửa chữa dễ dàng.
Tuy nhiên động có đốt trong có những nhược điểm có bản là :
– Không phát ra mômen lớn tại tốc độ vòng quay nhỏ nên không khỏi động được khi có tải.
– Khả năng quá tải kém.
– Công suất cực đại (max) không cao. Một trong những động cơ lớn nhất thế giới hiện nay là động cơ của hãng MAN – B&W có công suất 68.520 kW (theo liệu 1997) trong khi công suất của tuabin hơi bình thường có thể đạt vài chục vạn kW
– Nhiên liệu đắt và cạn dần trong thiên nhiên.
– Ô nhiễm môi trường vì khí xả và ồn.
Tuy nhiên trong vài ba thập niên tới, động cơ đốt trong vẫn là loại động cơ không thể thay thế, do những động cơ khác tuy ưu việt hơn nhưng vì những lí do kinh tế và kỹ thuật nên chưa được chế tạo hàng loạt
Nguyên lý hoạt động của động cơ đốt trong:
1. Chu trình hoạt động:
Động cơ đốt trong hoạt động dựa trên chu trình 4 kỳ:
- Nạp: Hỗn hợp khí và nhiên liệu được đưa vào buồng đốt.
- Nén: Hỗn hợp khí và nhiên liệu được nén lại.
- Nổ: Hỗn hợp khí và nhiên liệu được đốt cháy, tạo ra áp suất đẩy piston di chuyển.
- Xả: Khí thải được đẩy ra khỏi buồng đốt.
2. Các bộ phận chính:
- Xy lanh: Là nơi diễn ra quá trình biến đổi năng lượng.
- Piston: Là bộ phận di chuyển trong xy lanh, nén và đẩy hỗn hợp khí và nhiên liệu.
- Trục khuỷu: Là bộ phận truyền chuyển động từ piston đến bánh xe.
- Bugi: Là bộ phận tạo ra tia lửa điện để đốt cháy hỗn hợp khí và nhiên liệu.
- Hệ thống nhiên liệu: Cung cấp nhiên liệu cho động cơ.
- Hệ thống làm mát: Giúp động cơ hoạt động ở nhiệt độ thích hợp.
3. Nguyên lý hoạt động:
- Nạp: Khi piston di chuyển xuống, van nạp mở, van xả đóng, hỗn hợp khí và nhiên liệu được hút vào buồng đốt.
- Nén: Khi piston di chuyển lên, cả van nạp và van xả đều đóng, hỗn hợp khí và nhiên liệu bị nén lại.
- Nổ: Bugi đánh lửa đốt cháy hỗn hợp khí và nhiên liệu, tạo ra áp suất đẩy piston di chuyển xuống.
- Xả: Khi piston di chuyển lên, van nạp đóng, van xả mở, khí thải được đẩy ra khỏi buồng đốt.
4. Video nguyên lý hoạt động của động cơ đốt trong:
Cấu tạo của động cơ đốt trong
1. Khối động cơ (Thân máy):
- Chứa các bộ phận chính như xi lanh, nắp xi lanh, buồng đốt.
- Chịu lực cao, chịu nhiệt tốt, đảm bảo độ kín khít.
2. Xi lanh:
- Là nơi diễn ra quá trình đốt cháy nhiên liệu.
- Bên trong xi lanh có piston di chuyển lên xuống.
3. Nắp xi lanh:
- Đóng kín buồng đốt cùng với thân máy.
- Chứa các van nạp, van xả.
4. Piston:
- Di chuyển lên xuống trong xi lanh để nén và đẩy khí.
- Được nối với thanh truyền bằng chốt piston.
5. Thanh truyền:
- Nối piston với trục khuỷu.
- Truyền lực từ piston đến trục khuỷu.
6. Trục khuỷu:
- Biến chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay.
- Truyền lực đến bánh đà.
7. Bánh đà:
- Tích trữ năng lượng từ trục khuỷu.
- Giúp động cơ hoạt động êm ái.
8. Hệ thống nạp khí:
- Cung cấp khí sạch vào buồng đốt.
- Bao gồm bộ lọc gió, đường ống nạp, cổ góp nạp.
9. Hệ thống nhiên liệu:
- Cung cấp nhiên liệu vào buồng đốt.
- Bao gồm bình nhiên liệu, đường ống dẫn nhiên liệu, kim phun nhiên liệu.
10. Hệ thống đánh lửa:
- Tạo tia lửa điện để đốt cháy nhiên liệu.
- Bao gồm bugi, dây cao áp, bộ chia điện.
11. Hệ thống bôi trơn:
- Bôi trơn các chi tiết trong động cơ.
- Giảm ma sát, tăng tuổi thọ động cơ.
12. Hệ thống làm mát:
- Giảm nhiệt độ cho động cơ.
- Bao gồm két nước, quạt gió, bơm nước.
13. Hệ thống khởi động:
- Khởi động động cơ.
- Bao gồm mô tô khởi động, acquy.
14. Hệ thống xả khí:
- Dẫn khí thải ra ngoài môi trường.
- Bao gồm cổ góp xả, đường ống xả, bộ phận giảm thanh.
Ngoài ra, động cơ đốt trong còn có các hệ thống phụ trợ khác như hệ thống điều khiển, hệ thống cảnh báo, v.v.
Lưu ý:
- Cấu tạo của động cơ đốt trong có thể thay đổi tùy theo loại động cơ và nhà sản xuất.
- Một số động cơ có thể có thêm các bộ phận khác để nâng cao hiệu suất và khả năng vận hành.
