Động cơ đốt trong

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Bước tới: menu, tìm kiếm

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 turbin khí (tua-bin khí) và các động cơ đốt bên ngoài cylinder (xi-lanh) ví dụ như máy hơi nước hay động cơ Stirling không thuộc về động cơ đốt trong.

Nguyên tắc hoạt động cơ bản[sửa | sửa mã nguồn]

Hỗn hợp không khí và nhiên liệu (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 (pít-tông) 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 hóa 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 thì trong một động cơ piston đẩy 4 kì[sửa | sửa mã nguồn]

  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 (bu-gi), trong động cơ diesel bằng cách tự bốc cháy.
  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) đến trục khuỷu 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 (thì 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) hay một động cơ điện nhỏ (ở xe máyô 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 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 trong[sửa | sửa mã nguồn]

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 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[sửa | sửa mã nguồn]

Theo cách thức hoạt động[sửa | sửa mã nguồn]

  • 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 ki hoạt động 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 mát[sửa | sửa mã nguồn]

Không khí. Nước. Dầu bôi trơn

Theo nhiên liệu sử dụng[sửa | sửa mã nguồn]

So sánh động cơ 2 kì và 4 kì[sửa | sửa mã nguồn]

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 4 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[sửa | sửa mã nguồn]

Động cơ 2 kì 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 thuỷ.

Theo cách chuyển động của piston[sửa | sửa mã nguồn]

Theo cách tạo hỗn hợp không khí và nhiên liệu[sửa | sửa mã nguồn]

  • 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[sửa | sửa mã nguồn]

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[sửa | sửa mã nguồn]

Theo hình dáng động cơ và số cylinder[sửa | sửa mã nguồn]

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 thường[sửa | sửa mã nguồn]

Động cơ Wankel (Động cơ piston tròn)[sửa | sửa mã nguồn]

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 4 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 đặc biệt để đưa ra trục khuỷu.

Động cơ Stelzer[sửa | sửa mã nguồn]

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[sửa | sửa mã nguồn]

Một số nhà chế tạo động cơ quan trọng[sửa | sửa mã nguồn]

Đọc thêm[sửa | sửa mã nguồn]

Liên kết ngoài[sửa | sửa mã nguồn]