Chuyên đề Động cơ đốt trong

Động cơ đốt trong là một loại động cơ nhiệt tạo ra công cơ học bằng cách đốt nhiên liệu bên trong động cơ. Các loại động cơ sử dụng dòng chảy (tiếng Anh: Fluid flow engine) để tạo công thông qua đốt cháy như tuốc bin khí và các động cơ đốt bên ngoài xy lanh thí dụ như máy hơi nước hay động cơ Stirling không thuộc về động cơ đốt trong. Nguyên tắc hoạt động cơ bản Hỗn hợp không khí và nhiên liệu được đốt trong xy lanh 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 pít tông đẩy pít tông này di chuyển đi. Có nhiều loại động cơ đốt trong khác nhau, một phần 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. Xả và nạp là hai bước dùng để thay khí thải bằng khí mới. Nén và nổ dùng để biến đổi năng lượng hóa học (đốt hỗn hợp không khí và nhiên liệu) thông qua nhiệt năng (nhiệt độ) và thế năng (áp suất) thành năng lượng cơ (động năng trong chuyển động quay). Các thì trong một động cơ pít tông đẩy 4 thì Trong thì thứ nhất (nạp – van nạp mở, van xả đóng) hỗn hợp không khí và nhiên liệu được "nạp" vào xy lanh trong lúc pít tông chuyển động đi xuống. Trong thì thứ hai (nén – hai van đều đóng) pít tông nén hỗn hợp khí trong xy lanh khi chuyển động đi lên. Ở cuối thì thứ hai (pít tông ở tại điểm chết trên) hỗn hợp khí được đốt, trong động cơ xăng bằng bộ phận đánh lửa, trong động cơ diesel bằng cách tự bốc cháy. Trong thì thứ ba (tạo công – các van vẫn tiếp tục được đóng) hỗn hợp khí được đốt cháy. Vì nhiệt độ tăng dẫn đến áp suất của hỗn hợp khí tăng và làm cho pít tông chuyển động đi xuống. Chuyển động tịnh tiến của pít tông được chuyển bằng tay biên đến trục khuỷu và được biến đổi thành chuyển động quay. Trong thì thứ tư (xả - van nạp đóng, van xả mở) pít tông chuyển động đi lên đẩy khí từ trong xy lanh qua ống xả thải ra môi trường. Nguyên tắc hoạt động của động cơ Otto Chuyển động của pít tông ở thì thứ nhất, hai và bốn là nhờ vào năng lượng được tích trữ bởi bánh đà gắn ở trục khuỷu trong thì thứ ba (thì tạo công). Một động cơ bốn thì 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 xy lanh 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 (máy cưa, động cơ của ca nô), cần khởi động (mô tô), tay quay khởi động ở các ô tô cổ hay một động cơ điện nhỏ trong các mô tô và 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 có giảm tốc 1:2, đóng và mở các van trên đầu xy lanh 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 thì xả sang thì nạp. Khí thải thoát ra với vận tốc cao sẽ hút khí mới vào buồng đốt nhằm nạp khí mới vào xy lanh tốt hơn và tăng áp suất đốt. Phân loại động cơ đốt trong Trong lịch sử chế tạo động cơ đã có rất nhiều phương án được phác thảo và hiện thực nhưng lại không phù hợp với các cách phân loại dưới đây, thí dụ như động cơ Otto với bộ phun nhiên liệu trực tiếp hay các loại động cơ hoạt động theo nguyên tắc của động cơ diesel nhưng lại có bộ phận đánh lửa. Các phương pháp chế tạo lại có thể được kết hợp rất đa dạng, thí dụ như động cơ có dung tích nhỏ với pít tông tròn và điều khiển qua khe hở theo nguyên tắc Otto (động cơ Wankel) hay động cơ diesel 2 thì có dung tích lớn với bộ điều khiển bằng van (động cơ diesel của tàu thủy). Phần phân loại tổng quát này không liệt kê những trường hợp đặc biệt nhằm để tránh sự khó hiểu. Theo quy trình nhiệt động lực học Động cơ Otto Động cơ diesel Theo cách thức hoạt động Phương pháp 4 thì: Mỗi một giai đoạn hoạt động diễn ra trong một thì. Một thì ở đây là một lần đẩy của pít tông, tức là một lần chuyển động lên hay xuống của pít tông. Trong một chu kỳ hoạt động 4 thì, trục khuỷu quay 2 lần. Việc thay đổi khí được đóng kín có nghĩa là hỗn hợp khí 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 thì: Trong phương pháp hai thì cả bốn giai đoạn đều hoạt động nhưng chỉ trong 2 lần chuyển động của pít tông (2 thì) vì một phần của hai giai đoạn nạp và nén được tiến hành ra bên ngoài xy lanh. Trục khuỷu chỉ quay một vòng trong một chu kỳ làm việc. Thay đổi khí mở tức là hai hỗn hợp khí mới và khí thải bị trộn lẫn với nhau một phần. So sánh động cơ 2 thì và 4 thì Nguyên tắc động cơ 2 thì Động cơ 2 thì có mật độ năng lượng lớn hơn vì tạo ra công trong mỗi một vòng quay của trục khuỷu. Các động cơ 2 thì có thể được chế tạo đơn giản và rẻ tiền hơn vì ngược với động cơ 4 thì, loại động cơ này không cần có bộ phận điều khiển van. Dùng động cơ 2 thì 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 được có thể được khắc phục nhờ bộ phận phun nhiên liệu trực tiếp (thí dụ như ở động cơ diesel). Các động cơ 2 thì không có được công suất như động cơ 4 thì ngày nay vì khác với động cơ 4 thì chúng đã không được tiếp tục cải tiến nữa và đã bị động cơ 4 thì đẩy lùi do tốn nhiên liệu hơn và vì có khí thải xấu hơn. Ứng dụng Động cơ 2 thì được sử dụng phần lớn ở các ứng dụng mà giá tiền của động cơ (cấu tạo đơn giản) và mật độ năng lượng cao quan trọng hơn là tiêu thụ năng lượng và bảo vệ môi trường, trước tiên là cho những động cơ có dung tích nhỏ như ở các loại xe gắn máy nhỏ, máy cưa, mô hình có động cơ, trong thể thao đua mô tô và các động cơ cho tàu thủy. Theo cách chuyển động của pít tông Động cơ pít tông đẩy (hay kết hợp với tay biên và trục khuỷu) Động cơ Wankel (Động cơ pít tông tròn) Động cơ pít tông quay Động cơ pít tông tự do Theo cách tạo hỗn hợp không khí và nhiên liệu Tạo hỗn hợp bên ngoài: Nhiên liệu và không khí được hòa vào nhau ở ngoài xy lanh, sau đó được đưa vào xy lanh và nén lại. Đại diện đặc trưng cho loại này là động cơ Otto có bộ chế hòa khí hay động cơ hai thì. 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 xy lanh, 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 bằng cách tự bốc cháy (động cơ diesel) hay bằng bộ phận đánh lửa (động cơ Otto có bộ phận phun liêu nhiệu 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 được đốt bằng bộ phận đánh lửa (bugi) trong các động cơ Otto, tốt nhất là ngay trước điểm chết trên. 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 phương pháp làm mát Làm mát bằng nước Làm mát bằng không khí Làm mát bằng dầu nhớt (động cơ Elsbett) Kết hợp giữa làm mát bằng không khí và dầu nhớt. Theo hình dáng động cơ và số xy lanh Tùy theo số lượng xy lanh động cơ Otto và động cơ diesel có thể được chế tạo thành: Động cơ 1 xy lanh Động cơ thẳng hàng (2, 3, 4, 5, 6 hay 8 xy lanh) Động cơ chữ V (2, 4, 5, 6, 8, 10, 12 hay 16 xy lanh) Động cơ VR (6 hay 8 xy lanh) Động cơ chữ W (3, 8, 12 hay 16 xy lanh) Động cơ boxer (2, 4, 6 hay 12 xy lanh) Động cơ tỏa tròn (tiếng Anh: radial engine) (5, 6, 7, 8, 9 hay 12 xy lanh) Động cơ pít tông đối (tiếng Anh: opposed piston engine) Các động cơ có cấu tạo khác thường Động cơ Wankel (Động cơ pít tông tròn) Hoạt hình mô tả hoạt động của Động cơ Wankel. Động cơ Wankel là một loại động cơ pít tông tròn được gọi theo tên của nhà phát minh Felix Wankel. Trong một động cơ Wankel pít tông có dạng hình tam giác có góc tròn quay trong một hộp máy hình bầu dục. Mỗi một cạnh của tam giác tương ứng với một pít tông, trên mặt cạnh này có khoét lõm tạo thành buồng đốt. Khi piston quay được một vòng thì trục khủyu quay được 3 vòng. Do luôn luôn chỉ quay theo một chiều nên động cơ chạy rất êm. Động cơ pít tông tròn có cấu tạo nhỏ gọn và không cần có bộ phận điều khiển van. Nguyên tắc của động cơ này tương ứng với động cơ Otto, cũng có 4 thì nạp - nén - nổ - xả. Tất cả 4 thì thay vì hoạt động trong một lần chuyển động lên và xuống của pít tông đều xảy ra trong một lần quay của pít tông. Khi piston tam giác quay thì truyền lực cho một hệ thống lệch tâm đặc biệt để đưa ra trục khủyu. Động cơ Stelzer Động cơ Stelzer, được đặt tên theo nhà phát minh Frank Stelzer, là một loại động cơ hai thì có pít tông tự do. Trong động cơ Stelzer chỉ có pít tông chuyển động trong toàn bộ chu trình hoạt động. Đường kính pít tông thay đổi nên đóng và mở các lỗ của thân máy, qua đó mà điều khiển việc thay khí. Nhiên liệu Xăng Dầu diesel Diesel sinh học Khí hóa lỏng Khí đốt Methane (hay các khí sinh học) Rượu Hiđrô Một số nhà chế tạo động cơ quan trọng Carl Benz Gottlieb Daimler Rudolf Diesel Ludwig Elsbett Lebon d'Humbersim Eugen Langen Etienne Lenoir Siegfried Marcus Wilhelm Maybach Nikolaus Otto Frank Stelzer Robert Stirling Felix Wankel Động cơ xăng Bước tới: menu, tìm kiếm Động cơ xăng xe Mercedes V6 sản xuất năm 1996 Động cơ xăng hay động cơ Otto (lấy theo tên của Nikolaus Otto) là một dạng động cơ đốt trong, thông thường được sử dụng cho ô tô, máy bay, các máy móc di động nhỏ như máy xén cỏ hay xe máy cũng như làm động cơ cho các loại thuyền và tàu nhỏ. Nhiên liệu của của các động cơ xăng là xăng. Phổ biến nhất của động cơ xăng là động cơ bốn thì. Việc đốt cháy nhiên liệu được diễn ra trong buồng đốt bởi một hệ thống đánh lửa được tắt mở theo chu kỳ. Nơi đánh lửa là bugi có điện áp cao. Động cơ hai thì cũng được sử dụng trong các ứng dụng nhỏ hơn, nhẹ hơn, và rẻ tiền hơn nhưng nó không hiệu quả trong việc sử dụng nhiên liệu. Động cơ Wankel cũng sử dụng xăng làm nhiên liệu. Nó khác với động cơ bốn thì hay động cơ hai thì ở chỗ nó không có pittông mà sử dụng rôto. Một trong những thành phần của các động cơ xăng cũ là bộ chế hòa khí (hay còn gọi là cacbuaratơ), nó trộn xăng lẫn với không khí. Trong các động cơ xăng sau này, nó đã được thay bằng việc phun nhiên liệu. Lịch sử Động cơ xăng được phát triển vào cuối thế kỷ 19 bởi Nikolaus August Otto, dựa trên một động cơ ba thì có công suất yếu hơn rất nhiều của Étienne Lenoir. Thay đổi cơ bản là thêm vào một thì nén khí. Thiết kế đầu tiên của Otto không có nhiều điểm tương tự với các động cơ ngày nay. Đấy là một động cơ ở ngoài không khí, tức là hỗn hợp khí và nhiên liệu nổ đẩy pittông bắn ra ngoài bay tự do và chỉ trên đường quay lại pittông (hay áp suất không khí) mới tạo ra công. Năm 1876 Otto đăng ký bằng phát minh tại Đức cho một động cơ đốt trong bao gồm cả nguyên tắc bốn thì. Vì yêu cầu của người Pháp Beau de Rocha nên bằng phát minh của Otto bị hủy bỏ 10 năm sau đó ở Đức. Gottlieb Daimler và Carl Benz tại Đức (1886) và Siegfried Marcus (1888/1889) ở Wien (Áo) đã độc lập với nhau chế tạo các xe cơ giới đầu tiên bằng một động cơ Otto. Động cơ diesel: Động cơ Diesel là một loại động cơ đốt trong, khác với động cơ xăng (hay động cơ Otto). Sự cháy của nhiên liệu, tức dầu diesel, xảy ra trong buồng đốt khi piston đi tới gần điểm chết trên trong kỳ nén, là sự tự cháy dưới tác động của nhiệt độ và áp suất cao của không khí nén. Động cơ Diesel do một kỹ sư người Đức, ông Rudolf Diesel, phát minh ra vào năm 1892. Chu trình làm việc của động cơ cũng được gọi là chu trình Diesel. Do những ưu việt của nó so với động cơ xăng, như hiệu suất động cơ cao hơn hay nhiên liệu diesel rẻ tiền hơn xăng, nên động cơ Diesel được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, đặc biệt trong ngành giao thông vận tải thủy và vận tải bộ.