Động cơ nhiệt, động cơ đốt trong 4 kỳ, 2 kỳ chạy xăng và Diesel
Chương VIII: Tại sao tủ lạnh lại có thể làm lạnh? (Đọc thêm)
Động cơ nhiệt là những động cơ trong đó một phần năng lượng của nhiên liệu đốt cháy (nội năng) được chuyển hóa thành cơ năng. Động cơ đốt trong là một loại động cơ nhiệt tạo ra công cơ học dưới dạng momen quay (hay còn gọi là moment xoắn) bằng cách đốt nhiên liệu bên trong động cơ.
Động cơ nhiệt, động cơ đốt trong 4 kỳ, 2 kỳ chạy xăng và Diesel
1/ Nguyên tắc hoạt động của động cơ đốt trong
Hỗn hợp không khí và nhiên liệu (thường được gọi là hoà khí) được đốt trong xilanh của động cơ đốt trong. Khi đốt cháy nhiệt độ tăng làm cho khí đốt giãn nở tạo nên áp suất tác dụng lên một piston (pittông) đẩy piston này chuyển động tịnh tiến, nhờ các trục khuỷu biến chuyển động tịnh thành chuyển động quay.Có nhiều loại động cơ đốt trong khác nhau, một phần sử dụng các chu kì tuần hoàn khác nhau.
Động cơ đốt trong 4 kỳ (4 thì)
Mô phỏng hoạt động của động cơ đốt trong sử dụng 4 kỳ hoạt động tuần hoàn (nạp, nén, nổ, xả) A: Van nạp, cò mổ, lò xo xu-páp; B: Nắp xilanh; C: Họng hút; D: Nắp xilanh; E: Thân xilanh; G: Các-te chức dầu; H: Dầu bôi trơn; I: Trục cam; Van xả, cò mổ, lò xo xu-páp; K: Bugi; L: Họng xả; M: Piston; N: Thanh truyền; O: Vòng đệm; P: Trục khuỷu.
Kỳ 1 (kỳ nạp): Van nạp được mở, van xả đóng lại, Piston chuyển động xuống dưới xilanh tạo ra một khoảng trống trong xi lanh nhiên liệu được đẩy vào trong xi lanh từ bộ chế hòa khí.
Kỳ 2 (kỳ nén): Van nạp và van xả đều đóng, pittong chuyển động lên trên xilanh, nén hỗn hợp khí và nhiên liệu. Ngay trước khi pittong chạm vào điểm chết trên (ĐCT) của xilanh, bộ phận đánh lửa (bugi) sẽ đốt cháy hoà khí (hỗn hợp nhiên liệu ở dạng sương và không khí).
Kỳ 3 (kỳ nổ): Cả hai van vẫn tiếp tục đóng. Lúc này, pittong chuyển động đến ĐCT của xilanh. Khí được tạo ra từ việc đốt cháy hoà khí bây giờ nổ một cách nhanh chóng áp suất sinh ra đẩy pittong trong xilanh xuống điểm chết dưới (ĐCD). Nhờ trục khuỷu và thanh truyền chuyển động tịnh tiến của pittong chuyển thành chuyển động quay của động cơ phần dầu máy (H) giúp bôi trơn động cơ. Khu E trong thân xilanh chứa nước làm mát động cơ.
Kỳ 4 (kỳ xả): Van xả được mở, van nạp đóng. Pittong chuyển động lên trên trong xilanh, đẩy hỗn hợp khí và nhiên liệu đã cháy gần hết ra ngoài thông qua van xả.Sau một chu kỳ Nạp, Nén, Nổ, Xả được hoàn tất và động cơ đốt trong 4 kỳ lại tiếp tục chu kỳ mới.
Mô phỏng hoạt động của động cơ đốt trong 2 kỳ (2 thì)Kỳ 1: Tạo công và nén trước:
- Pittông bắt đầu sắp vượt qua điểm chết trên. Nhiên liệu đủ áp suất và nhiệt độ sẽ tự bốc cháy phía trên pít tông, nhiệt độ tăng dẫn đến áp suất trong buồng đốt tăng. Pittông đi xuống và qua đó tạo ra công cơ học.
Trong phần không gian ở phía dưới pít tông, khí mới vừa được hút vào sẽ bị nén lại bởi chuyển động đi xuống của pít tông - Trong giai đoạn cuối khi pít tông đi xuống, lỗ thải khí và ống dẫn khí được mở ra. Hỗn hợp khí mới đang bị nén dưới áp suất chuyển động từ buồng nén dưới pít tông qua ống dẫn khí đi vào xy lanh đẩy khí thải qua lỗ thải khí ra ngoài.
Thì 2: Nén và hút
- Trong khi pít tông đi lên, lỗ thải khí và ngay sau đó là ống dẫn khí được đóng lại.
- Trong lúc pít tông tiếp tục chuyển động đi lên, hỗn hợp nhiên liệu và không khí trong xy lanh tiếp tục bị nén lại và ngay trước khi pít tông đạt đến điểm chết trên thì được đốt cháy.
- Trong buồng nén khí trước ở phía dưới pít tông khí mới được hút vào qua ống dẫn.
So sánh động cơ đốt trong 2 kỳ và 4 kỳ
- Động cơ hai kỳ đơn giản hơn động cơ bốn kỳ: không có xupáp và các bộ phận khác của cơ cấu phối khí như trục cam, cò mổ… do đó chạy êm hơn do không có cơ cấu đóng mở xupáp và các cơ cấu phục thuộc.
- Độ rung động ít hơn, do hai vấn đề chính: thứ nhất, chu kỳ sinh công nhiều hơn (vì mỗi một vòng quay của trục khuỷu là một thì tạo công ở động cơ bốn thì, hai vòng quay của trục khuỷu tương ứng với một thì tạo công); thứ hai, nhỏ gọn hơn nên về vấn đề thiết kế không bị vướng phải vấn đề phải tăng số vòng quay trục cơ để giảm kích thước động cơ, do đó số vòng quay của động cơ trung bình thấp hơn.
- Cùng một công suất thì động cơ hai kỳ nhẹ hơn và ít bộ phận hơn. Đơn giản hơn trong sửa chữa và hiệu chỉnh.
- Động cơ 2 kỳ có hành trình máy ngắn hơn nên xe bốc hơn nhưng cũng chính vì vậy mà các linh kiện động cơ phải chịu nhiều lực hơn, khiến tuổi thọ không thể cao bằng xe 4 kỳ. Hơn nữa, lực hút nhiên liệu ở động cơ 2 kỳ phụ thuộc trực tiếp vào lực nén của pít-tông, nên với những xe đã bị dão thường là rất khó nổ, nhất là vào buổi sáng.
Tùy vào nhiên liệu được hòa trộn là xăng, dầu diesel người ta tiếp tục phân loại thành các loại động cơ xăng động cơ diesel.
3/So sánh nguyên lý hoạt động của động cơ đốt trong sử dụng nguyên liệu dầu Diesel và động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu xăng.
Ưu nhược điểm của động cơ đốt trong sử dụng nguyên liệu dầu Diesel so với động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu xăng:
♦ Ưu điểm:
- Hiệu suất động cơ Diesel cao hơn so với động cơ xăng (1,5 lần).
- Dầu Diesel rẻ tiền hơn xăng.
- Mức tiêu hao nhiên liệu riêng của động cơ Diesel thấp hơn động cơ xăng.
- Dầu Diesel không bốc cháy ở nhiệt độ thường nên ít gây nguy hiểm.
- Do không có bộ chế hòa khí và bộ phận đánh lửa nên động cơ Diesel ít hư hỏng vặt.
- Động cơ Diesel chịu quá tải tốt hơn động cơ xăng.
♦ Nhược điểm:
- Cùng một công suất thì động cơ Diesel có khối lượng nặng hơn động cơ xăng.
- Tỉ số nén động cơ Diesel cao hơn nên đòi hỏi các chi tiết máy của động cơ phải tốt dẫn đến giá thành chế tạo mắc hơn.
- Các chi tiết của hệ thống nhiên liệu ở động cơ Diesel có độ chính xác rất cao (sai số 1/100mm) như bơm cao áp, kim phun nên giá thành chế tạo và sửa chữa cao hơn.
- Sửa chữa các bộ phận của hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel phải có máy chuyên dùng, dụng cụ đắt tiền và thợ có chuyên môn cao.
- Tốc độ động cơ Diesel thấp hơn tốc độ động cơ xăng.
- Động cơ Diesel gây ồn và xả khí thải nhiều hơn động cơ xăng. (Điều này đã được khắc phục nhiều bằng các công nghệ tiên tiến).
Động cơ Diesel và động cơ xăng đều có ưu nhược điểm riêng. Tuy nhiên nhà sản xuất đã áp dụng hai loại động cơ này trên xe để phù hợp với mục đích sử dụng của mỗi dòng xe riêng biệt. Để cảm nhận và yêu thích một chiếc xe êm ái mượt mà như động cơ xăng hay mạnh mẽ và tiết kiệm như động cơ Diesel còn tùy thuộc vào sở thích và nhu cầu của mỗi người.
4/Các thuật ngữ thường dùng trong động cơ đốt trong
Dung tích xi lanh: (Buồng cháy) là khoảng không gian mà kỳ nén và kỳ xả xảy ra. Khi piston chuyển động lên và xuống, bạn có thể thấy kích cỡ của buồng cháy thay đổi. Nó có thể là thể tích lớn nhất hoặc nhỏ nhất. Hiệu số giữa thể tích lớn nhất và thể tích nhỏ nhất được gọi là dung tích xi lanh và được đo bằng lít hoặc cc (cubic Centimeter – 1000 cc bằng 1 lít) trong tiếng Việt người ta còn gọi là phân khối Honda 125cc tương đương với 125 phân khối. Các xe trước đây còn được gọi tắt như Cup 50 (dung tích xi lanh là 50cm3); Cup 80 (xung tích xi lanh 80cm3).
Dưới đây là một số ví dụ:
- Một cưa máy cần có một động cơ khoảng 40 cc
- Một xe môtô cần động cơ khoảng 500 cc hoặc 750 cc
- Một xe ôtô thể thao cần động cơ lớn hơn nữa, khoảng 5 lít.
- Đa số xe ôtô bình thường cần động cơ từ 1.5 lít (1500 cc) đến 4.0 lít (4000 cc)
Phân khối chỉ là một chỉ số nói lên dung tích xi lanh của động cơ đốt trong không phải là tốc độ xe máy. Tốc độ tối đa của động cơ còn phụ thuộc vào công suất của động cơ thường được đo bằng mã lực (Horse Power viết tắt là HP)
VD: Dung tích xi lanh có thể lên tới >1000cc nhưng công suất thường <100HP và tốc độ chỉ đạt tầm 160km/h là tối đa. Một số xe như Sport thì có thể đi tốc độ rất cao và sức mạnh cũng lớn như Bmw S1000, Honda CBR, Yamaha R1, R6, Suzuki GSX,… với phân khối từ 800->1000cc những xe này có thể đạt tốc độ 300km/h và công suất là 170HP hoặc cao hơn.