Động cơ đốt trong sử dụng trong ô tô

Động cơ đốt trong – hạt nhân của những cỗ máy hoạt động như thế nào ?

Động cơ đốt trong

Động cơ đốt trong là một loại động cơ nhiệt tạo ra công cơ học dưới dạng moment quay hay còn gọi là moment xoắn, bằng cách đốt nhiên liệu bên trong động cơ.

Động cơ đốt trong của ô tô
Động cơ đốt trong dùng cho xe ô tô.

Các loại động cơ sử dụng dòng chảy (tiếng Anh: fluid flow engine) để tạo công thông qua việc đốt cháy nhiên liệu như động cơ tuabin và các động cơ đốt bên ngoài xilanh như máy hơi nước hay động cơ Stirling không thuộc loại động cơ đốt trong.

Cấu tạo của động cơ đốt trong

Động cơ đốt trong gồm 2 cơ cấu và 4 hệ thống :

  • Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền.
  • Cơ cấu phân phối khí.
  • Hệ thống bôi trơn.
  • Hệ thống cung cấp nhiên liệu và không khí.
  • Hệ thống làm mát.
  • Hệ thống khởi động.

Riêng động cơ xăng có thêm hệ thống đánh lửa.

Nguyên lý hoạt động

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 động lên một piston (píttông) đẩy piston này chuyển động tịnh tiến, nhờ các trục khuỷu biến chuyển động tịnh tiến thành chuyển động quay.

nguyên lý hoạt động của động cơ 4 kỳ
Nguyên lý hoạt động của động cơ đốt trong 4 kỳ.

Có nhiều loại động cơ đốt trong khác nhau, sử dụng các chu kỳ tuần hoàn khác nhau. Tuy vậy tất cả các động cơ đốt trong đều lặp lại trong một chu trình tuần hoàn chu kỳ làm việc bao gồm 4 bước: nạp, nén, nổ (đốt) và xả.

Nạp và xả là hai bước dùng để thay khí thải bằng nhiên liệu mới (ví dụ hoà khí ở động cơ xăng, không khí ở động cơ diesel,…).

Nén và nổ dùng để biến đổi năng lượng hoá học (đốt hỗn hợp không khí và nhiên liệu) thông qua nhiệt năng (nhiệt độ) và thế năng (áp suất) thành cơ năng (động năng trong chuyển động quay).

Các kỳ trong một động cơ piston đẩy 4 kỳ

Trong kỳ thứ nhất (nạp – van nạp mở, van xả đóng), hỗn hợp không khí và nhiên liệu được nạp vào xilanh trong lúc piston chuyển động từ điểm chết trên (ĐCT) xuống điểm chết dưới (ĐCD).

kỳ nạp - van nạp mở, van xả đóng
Kỳ 1 – nạp : van nạp mở, van xả đóng.

Trong kỳ thứ hai (nén – hai van đều đóng), piston nén hỗn hợp khí và nhiên liệu trong xilanh khi chuyển động từ ĐCD lên ĐCT. Ở cuối kỳ thứ hai (piston ở tại ĐCT), hỗn hợp khí và nhiên liệu được đốt trong động cơ xăng bằng bộ phận đánh lửa gọi là bugi hoặc tự bốc cháy trong động cơ diesel.

kỳ nén - cả 2 van đều đóng
Kỳ 2 – nén : hai van đều đóng.

Trong kỳ thứ ba (sinh công – các van vẫn tiếp tục được đóng), hỗn hợp khí và nhiên liệu được đốt cháy. Vì nhiệt độ tăng dẫn đến áp suất của hỗn hợp khí tăng và làm cho piston chuyển động từ ĐCT xuống ĐCD. Chuyển động tịnh tiến của piston được chuyển bằng thanh truyền (còn gọi là tay biên hay tay dên) đến trục khuỷu (còn gọi là cốt máy) và được biến đổi thành chuyển động quay.

kỳ nổ - sinh công
Kỳ 3 – sinh công : các van vẫn đóng.

Trong thì thứ tư (xả – van nạp đóng, van xả mở) piston chuyển động từ ĐCD lên ĐCT đẩy khí từ trong xilanh qua ống xả (thường gọi là ống bô) thải ra môi trường.

kỳ xả - van nạp đóng, van xả mở
Kỳ 4 – xả : van nạp đóng, van xả mở.

Chuyển động của piston ở kỳ thứ nhất, hai và bốn là nhờ vào năng lượng được tích trữ bởi bánh đà gắn ở trục khuỷu trong kỳ thứ ba (kỳ sinh công).

Một động cơ bốn kỳ vì thế có góc đánh lửa là 720 độ tính theo góc quay của trục khuỷu tức là khi trục khuỷu quay 2 vòng thì mới có một lần đánh lửa.

Có thêm nhiều xilanh thì góc đánh lửa sẽ nhỏ đi, năng lượng đốt được đưa vào nhiều hơn trong hai vòng quay của trục khuỷu sẽ làm cho động cơ chạy êm hơn.

Do trong lúc khởi động chưa có đà nên trục khuỷu phải được quay từ bên ngoài bằng một thiết bị khởi động như dây (ở máy cưa, ca nô,…), cần khởi động (ở xe máy,…), tay quay khởi động (ở ô tô cổ, xe cải tiến, xe kéo nông nghiệp,…) hay một động cơ điện nhỏ (ở xe máy, ô tô,… hiện đại).

Việc thay thế khí thải bằng hỗn hợp khí mới được điều khiển bằng trục cam. Trục này được gắn với trục khuỷu, quay nhờ cơ cấu giảm tốc 1:2, đóng và mở các van trên đầu xilanh của động cơ.

Thời gian trục khuỷu đóng và mở các van được điều chỉnh sao cho van nạp và van xả được mở cùng một lúc trong một thời gian ngắn khi chuyển từ kỳ xả sang kỳ nạp. Khí thải thoát ra với vận tốc cao sẽ hút khí mới vào buồng đốt nhằm nạp khí mới vào xilanh tốt hơn và tăng áp suất đốt.

Phân loại động cơ đốt trong

Theo hành trình của piston

Phương pháp 4 kỳ

động cơ 4 kỳ
Nguyên lý hoạt động của động cơ 4 kỳ.

Mỗi một giai đoạn hoạt động diễn ra trong một kỳ. Một kỳ ở đây là một lần đẩy của piston, tức là một lần chuyển động lên hay xuống của piston.

Trong một chu kỳ hoạt động của động cơ 4 kỳ, trục khuỷu quay 2 lần. Việc thay đổi khí được đóng kín có nghĩa là hỗn hợp khí – nhiên liệu mới và khí thải được tách hoàn toàn ra khỏi nhau. Trong thực tế hai khí này tiếp xúc với nhau trong một khoảng thời gian ngắn.

Phương pháp 2 kỳ

động cơ 2 kỳ
Nguyên lý hoạt động của động cơ 2 kỳ.

Trong phương pháp hai kỳ cả bốn giai đoạn đều hoạt động nhưng chỉ trong 2 lần chuyển động của piston (2 kỳ) vì một phần của hai giai đoạn nạp và nén được tiến hành ra bên ngoài xilanh.

Trục khuỷu chỉ quay một vòng trong một chu kỳ làm việc. Thay đổi khí mở tức là hai hỗn hợp khí – nhiên liệu mới và khí thải bị trộn lẫn với nhau một phần.

So sánh động cơ 4 kỳ và động cơ 2 kỳ

Động cơ 2 kỳ có mật độ năng lượng lớn hơn vì tạo ra công trong mỗi một vòng quay của trục khuỷu.

Các động cơ 2 kỳ có thể được chế tạo đơn giản và rẻ tiền hơn vì ngược với động cơ 4 kỳ, loại động cơ này không cần có bộ phận điều khiển van.

Dùng động cơ 2 kỳ tốn nhiên liệu nhiều hơn và khí thải có trị xấu hơn vì bị mất đi một phần hỗn hợp không khí và nhiên liệu không được đốt trong lúc đẩy khí thải thoát ra ngoài. Điều này có thể được khắc phục nhờ bộ phận phun nhiên liệu trực tiếp (ví dụ như ở động cơ diesel).

Các động cơ 2 kỳ không có được công suất như động cơ 4 kỳ ngày nay, vì khác với động cơ 4 kỳ, chúng đã không được tiếp tục cải tiến nữa và đã bị động cơ 4 kỳ đẩy lùi do tốn nhiên liệu hơn và vì có khí thải xấu hơn.

Theo phương thức làm mát

Động cơ làm mát bằng không khí, nước, dầu bôi trơn.

Theo nhiên liệu sử dụng

Động cơ xăng, động cơ dầu diesel.

Động cơ xăng Hyundai và động cơ dầu Koop.
Động cơ xăng Hyundai và động cơ dầu Koop.

Ưu điểm của động cơ dầu diesel so với động cơ xăng

  • Hiệu suất của động cơ dầu diesel cao hơn so với động cơ xăng.
  • Giá thành nhiên liệu dầu diesel thấp hơn nhiên liệu xăng.
  • Mức tiêu hao nhiên liệu của động cơ dầu 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 dầu diesel ít bị hư hỏng vặt.
  • Động cơ dầu diesel chịu quá tải tốt hơn động cơ xăng.

Nhược điểm của động cơ dầu diesel so với động cơ xăng

  • Cùng một mức công suất thì động cơ dầu diesel có khối lượng nặng hơn động cơ xăng.
  • Tỉ số nén động cơ dầu diesel cao hơn nên đòi hỏi các chi tiết máy của động cơ phải tốt hơn dẫn đến giá thành chế tạo cao hơn.
  • Các chi tiết của hệ thống nhiên liệu ở động cơ dầu 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.
  • Để sửa chữa các bộ phận của động cơ dầu diesel đòi hỏi phải có máy chuyên dụng và thợ có chuyên môn cao.
  • Tốc độ của động cơ dầu diesel thấp hơn tốc độ của động cơ xăng.
  • Động cơ dầu diesel gây tiếng ồn lớn hơn và xả khí thải xấu hơn động cơ xăng.

Theo cách chuyển động của piston

  • Động cơ piston đẩy (hay kết hợp với thanh truyền và trục khuỷu)
  • Động cơ Wankel (Động cơ piston tròn)
  • Động cơ piston quay
  • Động cơ piston tự do

Theo cách tạo hỗn hợp không khí và nhiên liệu

Tạo hỗn hợp bên ngoài: Nhiên liệu và không khí được hoà vào nhau ở ngoài xilanh, sau đó được đưa vào xilanh và nén lại. Đại diện đặc trưng cho loại này là động cơ Otto có bộ chế hoà khí hay động cơ hai kì.

Nếu nhiệt độ động cơ quá cao, thời điểm đánh lửa quá sớm hay vì tự bốc cháy, hỗn hợp này có thể gây ra nổ không kiểm soát được làm giảm công suất và gây hư hại cho động cơ.

Trong lúc được nén lại nhiên liệu phải bốc hơi một phần để có thể cháy rất nhanh ngay sau khi đánh lửa, tạo vận tốc vòng quay nhanh.

Tạo hỗn hợp bên trong: Chỉ có không khí được đưa vào và nén lại trong xilanh, nhiên liệu được phun vào sau đó. Do không có nhiên liệu nên không xảy ra việc tự cháy vì thế mà có thể tăng hiệu suất bằng cách tăng độ nén nhiều hơn.

Đánh lửa có thể bằng cách tự bốc cháy (động cơ diesel) hay bằng bộ phận đánh lửa (động cơ Otto có bộ phận phun nhiên liệu trực tiếp hay ở các động cơ có thể dùng nhiều loại nhiên liệu khác nhau).

Sau khi được phun vào nhiên liệu cần một thời gian nhất định để bốc hơi vì thế mà vận tốc vòng quay bị giới hạn.

Theo phương pháp đốt

Hỗn hợp khí và nhiên liệu được đốt bằng bộ phận đánh lửa (bougie) trong các động cơ Otto, tốt nhất là ngay trước ĐCT.

Trong các động cơ diesel hỗn hợp đốt bằng cách tự bốc cháy. Không khí được nén rất mạnh và ngay trước điểm chết trên nhiên liệu được phun vào. Vì ở nhiệt độ rất cao nên nhiên liệu tự bốc cháy.

Theo hình dáng động cơ và số xilanh

Tuỳ theo số lượng xilanh động cơ Otto và động cơ diesel có thể được chế tạo thành:

  • Động cơ 1 xilanh.
  • Động cơ thẳng hàng 2, 3, 4, 5, 6 hay 8 xilanh (động cơ I2, I3, I4, I5, I6 hay I8).
  • Động cơ chữ V 2, 4, 6, 8, 10, 12, 16 xilanh (động cơ V2, V4, V6, V8, V10, V12 hay V16).
  • Động cơ VR 6 hay 8 xilanh.
  • Động cơ chữ W 3, 8, 12 hay 16 xilanh.
  • Động cơ boxer 2, 4, 6 hay 12 xilanh.
  • Động cơ toả tròn (tiếng Anh: radial engine) 5, 6, 7, 8, 9 hay 12 xilanh.
  • Động cơ piston đối (tiếng Anh: opposed piston engine).

Tham khảo bài viết trên hy vọng bạn đọc có được thông tin hữu ích mà bạn đang tìm kiếm. Nếu bạn quan tâm đến các loại động cơ, bạn nên xem ngay những sản phẩm chất lượng của chúng tôi :