Động cơ đốt trong

Thiết bị chuyển hóa năng lượng (thường là từ nhiên liệu hóa thạch) thành cơ năng.


Sơ đồ của một xi lanh như được tìm thấy trong động cơ xăng 4 thì:C   -   trục khuỷu . E   -   trục cam xả. I   -   trục cam đầu vào. P   -   pít-tông . R   -   thanh nối . S   -   bugi . V   -   van . đỏ: xả, xanh: hút. W   -   áo nước làm mát . cấu trúc màu xám   -   khối động cơ .
Sơ đồ mô tả chu trình đốt lý tưởng của Carnot

Động cơ đốt trongđộng cơ nhiệt trong đó quá trình đốt cháy nhiên liệu xảy ra với chất oxy hóa (thường là không khí) trong buồng đốt là một phần không thể thiếu của mạch lưu lượng chất lỏng làm việc. Trong động cơ đốt trong, sự giãn nở của khí nhiệt độ cao và áp suất cao do quá trình đốt cháy tác dụng lực trực tiếp lên một số thành phần của động cơ. Lực được áp dụng điển hình cho piston, cánh tuabin, cánh quạt hoặc vòi phun . Lực này di chuyển thành phần qua một khoảng cách, biến năng lượng hóa học thành công hữu ích. Động cơ đốt trong thành công thương mại đầu tiên được tạo ra bởi Étienne Lenoir vào khoảng năm 1860 [1] và động cơ đốt trong hiện đại đầu tiên được Nicolaus Otto tạo ra vào năm 1876 (xem động cơ Otto).

Thuật ngữ động cơ đốt trong thường dùng để chỉ một động cơ trong đó quá trình đốt không liên tục, chẳng hạn như động cơ piston bốn thìhai thì quen thuộc hơn, cùng với các biến thể, như động cơ piston sáu thìđộng cơ quay Wankel . Một loại động cơ đốt trong thứ hai sử dụng quá trình đốt liên tục: tua bin khí, động cơ phản lực và hầu hết các động cơ tên lửa, mỗi động cơ đều là động cơ đốt trong theo nguyên tắc như mô tả trước đây. [2] [3] Súng cầm tay cũng là một dạng động cơ đốt trong. [3]

Ngược lại, trong các động cơ đốt ngoài, như động cơ hơi nước hoặc Stirling, năng lượng được đưa đến một chất lỏng làm việc không bao gồm, trộn lẫn hoặc bị ô nhiễm bởi các sản phẩm đốt. Chất lỏng làm việc có thể là không khí, nước nóng, nước áp lực hoặc thậm chí natri lỏng, được đun nóng trong nồi hơi . ICE thường được cung cấp năng lượng từ nhiên liệu đậm đặc năng lượng như xăng hoặc nhiên liệu diesel, chất lỏng có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch . Mặc dù có nhiều ứng dụng cố định, hầu hết các ICE được sử dụng trong các ứng dụng di động và là nguồn cung cấp năng lượng vượt trội cho các phương tiện như ô tô, máy bay và tàu thuyền.

Thông thường, động cơ đốt trong được cung cấp nhiên liệu hóa thạch như khí tự nhiên hoặc các sản phẩm dầu mỏ như xăng, nhiên liệu diesel hoặc dầu nhiên liệu . Ngày càng có nhiều sử dụng nhiên liệu tái tạo như diesel sinh học cho động cơ CI (đánh lửa nén) và bioethanol hoặc metanol cho động cơ SI (đánh lửa tia lửa). Hydro đôi khi được sử dụng, và có thể được lấy từ nhiên liệu hóa thạch hoặc năng lượng tái tạo.

Nguyên tắc hoạt động cơ bảnSửa đổi

Hỗn hợp không khí và nhiên liệu (thường được gọi là hoà khí) được đốt trong cylinder 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 (píttông) đẩy piston này di chuyển đi.

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

  1. Trong kì thứ nhất (nạp – van nạp mở, van xả đóng), hỗn hợp không khí và nhiên liệu được "nạp" vào cylinder trong lúc piston chuyển động từ điểm chết trên (ĐCT) xuống điểm chết dưới (ĐCD).
  2. Trong kì thứ hai (nén – hai van đều đóng), piston nén hỗn hợp khí và nhiên liệu trong cylinder khi chuyển động từ ĐCD lên ĐCT. Ở cuối kì 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 bougie (bugi) hoặc tự bốc cháy trong động cơ diesel.
  3. Trong kì 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.
  4. Trong thì thứ tư (xả - van nạp đóng, van xả mở) piston chuyển động từ ĐCD lên ĐCT đẩy khí từ trong cylinder qua ống xả (thường gọi là ống bô) thải ra môi trường.
 
Nguyên tắc hoạt động của động cơ Otto

Chuyển động của piston ở kì thứ nhất, hai và bốn là nhờ vào năng lượng được tích trữ bởi bánh đà gắn ở trục khuỷu trong kì thứ ba (kì sinh công). Một động cơ bốn kì 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 cylinder 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 cylinder 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 kì xả sang kì nạp. Khí thải thoát ra với vận tốc cao sẽ hút khí mới vào buồng đốt nhằm nạp khí mới vào cylinder tốt hơn và tăng áp suất đốt.

Phân loại động cơ đốt trongSửa đổi

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, ví 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, ví dụ như động cơ có dung tích nhỏ với piston tròn và điều khiển qua khe hở theo nguyên tắc Otto (động cơ Wankel) hay động cơ diesel 2 kì có dung tích lớn với bộ điều khiển bằng van (động cơ diesel của tàu thuỷ). 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 họcSửa đổi

Theo cách thức hoạt độngSửa đổi

  • Phương pháp 4 kì: Mỗi một giai đoạn hoạt động diễn ra trong một kì. Một kì ở đây là một lần đẩy của piston, tức là một lần chuyển động lên hay xuống của piston. Trong một chu kì hoạt động của động cơ 4 kì, 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 kì: Trong phương pháp hai kì cả bốn giai đoạn đều hoạt động nhưng chỉ trong 2 lần chuyển động của piston (2 kì) vì một phần của hai giai đoạn nạp và nén được tiến hành ra bên ngoài cylinder. Trục khuỷu chỉ quay một vòng trong một chu kì 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.

Theo phương thức làm mátSửa đổi

Không khí. Nước. Dầu bôi trơn

Theo nhiên liệu sử dụngSửa đổi

So sánh động cơ 2 kì và 4 kìSửa đổi

 
Nguyên tắc động cơ 2 kì
  • Động cơ 2 kì có mật độ năng lượng lớn hơn vì tạo ra công trong mỗi một vòng quay của trục khuỷu.
  • Các động cơ 2 kì có thể được chế tạo đơn giản và rẻ tiền hơn vì ngược với động cơ 4 kì, loại động cơ này không cần có bộ phận điều khiển van.
  • Dùng động cơ 2 kì 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 kì không có được công suất như động cơ 4 kì ngày nay vì khác với động cơ 2 kì chúng đã không được tiếp tục cải tiến nữa và đã bị động cơ 4 kì đẩy lùi do tốn nhiên liệu hơn và vì có khí thải xấu hơn.

Ứng dụngSửa đổi

Động cơ 2 kì được sử dụng phần lớn ở các ứng dụng mà giá thành động cơ và mật độ năng lượng được ưu tiên hơn tiêu thụ nhiên liệu 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 thuỷ.

Theo cách chuyển động của pistonSửa đổi

Theo cách tạo hỗn hợp không khí và nhiên liệuSửa đổi

  • Tạo hỗn hợp bên ngoài: Nhiên liệu và không khí được hoà vào nhau ở ngoài cylinder, sau đó được đưa vào cylinder 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 cylinder, 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 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 đốtSửa đổi

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 phương pháp làm mátSửa đổi

Theo hình dáng động cơ và số cylinderSửa đổi

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

Các động cơ có cấu tạo khác thườngSửa đổi

Động cơ Wankel (Động cơ piston tròn)Sửa đổi

 
Hoạt hình mô tả hoạt động của Động cơ Wankel.

Động cơ Wankel là một loại động cơ piston tròn được gọi theo tên của nhà phát minh Felix Wankel. Trong một động cơ Wankel piston 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 piston, trên mặt cạnh này có khoét lõm tạo thành buồng đốt. Khi piston quay được một vòng thì trục khuỷu quay được 3 vòng. Do luôn luôn chỉ quay theo một chiều nên động cơ chạy rất êm.

Động cơ piston 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 kì nạp, nén, nổ và xả. Tất cả bốn kì thay vì hoạt động trong một lần chuyển động lên và xuống của piston đều xảy ra trong một lần quay của piston. Khi piston tam giác quay thì truyền lực cho một hệ thống lệch tâm để đưa ra trục khuỷu.

Động cơ StelzerSửa đổi

Động cơ Stelzer, được đặt tên theo nhà phát minh Frank Stelzer, là một loại động cơ hai kì có piston tự do. Trong động cơ Stelzer chỉ có piston chuyển động trong toàn bộ chu trình hoạt động. Đường kính piston thay đổi nên đóng và mở các lỗ của thân máy, qua đó mà điều khiển việc thay khí và nhiên liệu.

Nhiên liệuSửa đổi

Một số nhà chế tạo động cơ quan trọngSửa đổi

Đọc thêmSửa đổi

Tham khảoSửa đổi

  1. ^ “History of Technology: Internal Combustion engines”. Encyclopædia Britannica. Britannica.com. Truy cập ngày 20 tháng 3 năm 2012. 
  2. ^ “History of Technology: Internal Combustion engines”. Encyclopædia Britannica. Britannica.com. Truy cập ngày 20 tháng 3 năm 2012. 
  3. ^ a ă Pulkrabek, Willard W. (1997). Engineering Fundamentals of the Internal Combustion Engine. Prentice Hall. tr. 2. ISBN 978-0-13-570854-5.  Đã bỏ qua tham số không rõ |url-access= (trợ giúp)

Liên kết ngoàiSửa đổi