Động cơ đốt trong

Sơ đồ cấu tạo xi lanh trong động cơ xăng 4 kỳ:

• C – Trục khuỷu
• E – Trục cam xả
• I – Trục cam hút
• P – Piston
• R – Tay biên (thanh truyền)
• S – Bugi
• V – van. Màu đỏ: xả. Màu xanh: hút.
• W – Áo nước làm mát
• Bộ phận màu xám – khối động cơ

Động cơ đốt trong là một loại động cơ nhiệt, trong đó quá trình đốt cháy nhiên liệu xảy ra với chất oxy hóa (thường là không khí) trong buồng đốt, vốn là một bộ phận quan trọng của chu trình của chất lỏng làm việc. Trong động cơ đốt trong, sự giãn nở của khí ở 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 như piston, cánh tuabin, cánh quạt hoặc vòi phun. Lực này giúp di chuyển vật thể di chuyển một quãng đường nhất định, biến năng lượng hóa học thành công hữu ích.

Động cơ đốt trong được ứng dụng thương mại đầu tiên được tạo ra bởi Étienne Lenoir vào khoảng năm 1860 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 xảy ra không liên tục, chẳng hạn như những loại động cơ quen thuộc như động cơ piston bốn thì và hai thì, cùng với các biến thể, như động cơ piston sáu thì và động cơ quay Wankel. Loại động cơ đốt trong thứ hai sử dụng quá trình đốt liên tục bao gồm tua bin khí, động cơ phản lực và hầu hết các động cơ tên lửa; mỗi loại động cơ này đều hoạt động theo nguyên tắc động cơ đốt trong cơ bản. Súng cầm tay cũng là một dạng động cơ đốt trong.

Ngược lại, trong các động cơ đốt ngoài, như động cơ hơi nước hoặc Stirling, năng lượng truyền cho lưu chất hoạt động không chứa, trộn lẫn, hoặc bị tạp nhiễm bởi các sản phẩm của quá trình đốt. Lưu chất hoạt động (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.

Động cơ đốt trong thường được vận hành bằng nhiên liệu năng lượng cao như xăng hoặc dầu diesel, hoặc những chất lỏng có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch. Mặc dù được ứng dụng trong nhiều thiết bị cố định, hầu hết những động cơ đốt trong được sử dụng trong các thiết bị di động và là nguồn sinh công quan trọng cho các loại phương tiện như ô tô, máy bay và tàu thuyền, nhóm phương tiện này thường được gọi là "phương tiện động cơ đốt trong" (ICEV).

Thông thường, động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu hóa thạch như khí tự nhiên hoặc các sản phẩm dầu mỏ như xăng, dầu diesel hoặc dầu nhiên liệu. Những loại nhiên liệu tái tạo ngày càng được sử dụng rộng rãi như diesel sinh học cho động cơ kích nổ nén (động cơ diesel) và bioethanol hoặc metanol cho động cơ kích nổ tia lửa (động cơ xăng). Hydro đôi khi được sử dụng, và có thể được lấy từ nhiên liệu hóa thạch hoặc năng lượng tái tạo.

Lịch sử

Jean de Hautefeuille, nhà vật lý người Pháp, đề xuất thiết kế một động cơ đốt trong dùng để bơm nước vào năm 1678. Tuy nhiên, người được xem phát minh ra động cơ đốt trong đầu tiên là Christiaan Huygens, nhà khoa học người Hà Lan. Vào năm 1678 hoặc 1679 (có tài liệu cho rằng năm 1673), Huygens sử dụng một ống hình trụ lớn với bề mặt nhẵn bóng bên trong làm xi lanh và có piston di chuyển dọc trục xi lanh. Piston nối với một sợi dây và ròng rọc để nâng vật nặng. Bên dưới ống trụ là buồng đốt dùng để đốt nổ thuốc súng. Khi thuốc súng nổ, không khí giãn nở thể tích và đẩy piston. Sau khi nổ xong, không khí nguội lại, giảm thể tích, tạo chân không bên trong ống trụ, di chuyển piston về vị trí ban đầu, đồng thời kéo dây nâng vật nặng, thực hiện quá trình sinh công. "Động cơ Huygens" (Huygens engine) được cho rằng, chỉ với 1 dram (tương đương 1/16 ounce hoặc 1,77 gram) thuốc súng, sử dụng trong ống trụ cao 7–8 feet (2,1–2,4 m), đường kính 15–16 in (khoảng 38–41 cm), có thể tạo ra công đủ nâng khối lượng của 8 thiếu niên (tương đương 540 kg).

Đến năm 1791, nhà khoa học người Anh John Barber đăng ký bằng sáng chế cho động cơ tuabin khí đầu tiên. Trong động cơ tuabin của Barber, nhiên liệu như than, dầu đốt, hoặc gỗ được gia nhiệt, hòa trộn với không khí, nén hỗn hợp này, và đốt cháy. Sản phẩm khí cháy có áp suất cao sẽ làm quay cánh quạt của tuabin, làm sinh công. Năm 1794, Thomas Mead và Robert Street, hai kỹ sư người Anh, cùng đồng thời đăng ký bằng phát minh cho động cơ đốt trong sử dụng khí cháy. Thomas Mead sử dụng hỗn hợp khí khi nổ trong buồng đốt sẽ đẩy piston lên; sau khi quá trình cháy kết thúc, piston sẽ di chuyển xuống nhờ vào sức nặng của piston và áp suất chân không. Còn Robert Street sử dụng nhiên liệu lỏng (dầu hỏa hoặc nhựa thông) bay hơi để tạo hỗn hợp khí cháy. Nhựa thông hoặc dầu hỏa được phun lên đáy của xi lanh đang được đốt nóng, khiến nhiên liệu ở thể lỏng hóa hơi thành hỗn hợp khí. Hỗn hợp này được kích nổ bằng ngọn lửa. Quá trình cháy–nổ của hỗn hợp khí làm giãn nở thể tích trong xi lanh và làm piston chuyển động, thực hiện công.

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, 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 học

• Động cơ Otto
• Động cơ diesel

Theo công dụng

• Động cơ tĩnh tại: Dùng vận hành các thiết bị như máy phát điện (công suất lên đến 25 MW).
• Động cơ ô tô.
• Động cơ máy bay: Bao gồm động cơ đốt trong kiểu piston cho máy bay cánh quạt và động cơ phản lực dùng cho máy bay phản lực.
• Động cơ tàu thủy.
• Động cơ xe lửa (đầu máy xe lửa).

Theo cách thức hoạt động

• 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.

So sánh động cơ 2 kì và 4 kì

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 dụng

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 nhiên liệu sử dụng

• Động cơ xăng.
• Động cơ diesel.

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 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 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 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 cylinder

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

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

Nguyên tắc hoạt động cơ bản

Sơ đồ mô tả chu trình đốt lý tưởng của Carnot

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 kì

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.

Các động cơ có cấu tạo khác thường

Động cơ Wankel (Động cơ piston tròn)

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 Stelzer

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 liệu

Xăng Dầu diesel Diesel sinh học Khí hoá 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 Étienne Lenoir Siegfried Marcus

Wilhelm Maybach Nikolaus Otto Frank Stelzer Robert Stirling Felix Wankel

Đọc thêm

• Động cơ Stirling
• Tái tuần hoàn khí thải
• Động cơ đốt ngoài

Tham khảo

• Day, L.; McNeil, I. (2002). Biographical Dictionary of the History of Technology. Taylor & Francis. tr. 78, 188, 738. ISBN 978-1-134-65020-0.Quản lý CS1: ref=harv (liên kết)
• Galloway, R.L. (2010). The Steam Engine and Its Inventors - A Historical Sketch. Read Books Design. ISBN 978-1-4460-2347-1. Bản gốc lưu trữ ngày 7 tháng 6 năm 2008.Quản lý CS1: ref=harv (liên kết)
• Heywood, J.B. (2017). Two-Stroke Cycle Engine: It's Development, Operation and Design. CRC Press. tr. 1-PA15–1-PA19, 1–PA18, 1–PA19. ISBN 978-1-351-40645-1.Quản lý CS1: ref=harv (liên kết)
• Lackner, M.; Palotás, Á.; Winter, F. (2013). Combustion: From Basics to Applications. John Wiley & Sons. tr. 6. ISBN 978-3-527-66720-8.Quản lý CS1: ref=harv (liên kết)

Liên kết ngoài

• Internal-combustion engine tại Encyclopædia Britannica (tiếng Anh)
• Động cơ đốt trong tại Từ điển bách khoa Việt Nam
• Động cơ đốt ngoài tại Từ điển bách khoa Việt Nam
• Animated Engines - Giải thích rất nhiều loại động cơ (tiếng Anh).
• How Internal Combustion Works - Cách hoạt động của động cơ đốt trong (tiếng Anh)