2. Các thông số cơ bản của động cơ đốt trong
2.1.3. Cấu tạo và nguyên lí làm việc của động cơ đốt trong
a) Động cơ xăng bốn kỳ: động cơ xăng bốn kỳ có cấu tạo và nguyên lý việc như trên hình 2-1, trục khuỷu 1 quay (theo chiều mũi tên), thanh truyền 10 được nối bản lề với trục khuỷu và pit-tông 3. Pittông chuyển động tịnh tiến trong xi-lanh 2. Mỗi chu trình làm việc của động cơ xăng bốn kỳ bao gồm bốn hành trình nạp, nén, nổ và xả, trong đó có một hành trình sinh công (nổ). Pit-tông phải dịch chuyển lên xuống bốn lần và trục khuỷu phải quay hai vòng, từ 00 đến 720o. Mỗi lần pit-tông di chuyển lên hoặc xuống gọi là một hành trình hay một kỳ hoặc một thời. Chu trình làm việc của một xi lanh ở động cơ xăng bốn kỳ như sau:
Hành trình nạp: trong hành trình nạp hay hút (hình 2-1B, a), khi trục khuỷu 1 quay, pit-tông sẽ dịch chuyển từ điểm chết trên (Đ.C.T) xuống điểm chết dưới (Đ.C.D), xu-páp nạp 6 mở, xu-páp xả 8 đóng làm cho áp suất trong xi-lanh 2 giảm
và hoà khí, gồm hơi xăng hỗn hợp với không khí, từ bộ chế hoà khí (các-bua-ra- tơ) 5, qua ống nạp 4 được hút vào xi-lanh.
Cuối hành trình nạp, áp suất và nhiệt độ của khí nạp trong xi-lanh là:
Pa = 0,08 ÷ 0,09 MN/m2 ; Ta = 3300 ÷ 3800K
Hành trình nén: trong hành trình nén (hình 2-1B, b), xu-páp nạp và xả đều đóng. Pit-tông dịch chuyển từ Đ.C.D lên Đ.C.T, hoà khí trong xi-lanh bị nén, áp suất và nhiệt độ tăng lên. Cuối hành trình nén buzi 7 của hệ thống đánh lửa phóng tia lửa điện để đốt cháy hoà khí.
Cuối hành trình nén, áp suất và nhiệt độ của hoà khí trong xi-lanh là:
+ Pc = 1,10 ÷ 1,20 MN/m2; + Tc = 500o ÷ 700o K
Hành trình nổ: trong hành trình nổ hay sinh công (hình 2-1B, c), xu-páp nạp và xả vẫn đóng. Do hoà khí đã được buzi đốt cháy ở cuối kỳ nén, nên khi pit-tông vừa đến Đ.C.T thì tốc độ cháy hoà khí càng nhanh, làm cho áp suất của khí cháy tăng lên, pit-tông bị đẩy từ Đ.C.T xuống Đ.C.D, qua thanh truyền làm quay trục khuỷu sinh công.
Cuối hành trình nổ, áp suất và nhiệt độ của khí cháy trong xi-lanh là:
Pz = 3 ÷ 4 MN/m2; Tz = 2200o ÷ 2500o K
Hành trình xả: trong hành trình xả (hình 2-1B, d), xu-páp nạp vẫn đóng, còn xu-páp xả mở. Pit-tông dịch chuyển từ Đ.C.D lên Đ.C.T và đẩy khí cháy qua ống a/ b/ c/ d/
Hình 2-1B. Cấu tạo và các hành trình làm việc của động cơ xăng bốn kỳ 1- Trục khuỷu; 2- Xi-lanh; 3- Pit tông; 4- ống nạp; 5- Bộ chế hoà khí;
6- Xu-páp nạp; 7- Buzi; 8- Xu-páp xả; 9- Xu-páp xả; 10- Thanh truyền.
5 4
3 2 1
6 7 8
9
xả 9 ra ngoài.
Cuối hành trình xả, áp suất và nhiệt độ của khí xả là:
Pr = 0,01 ÷ 0,12 MN/m2; Tr = 900o ÷ 1200oK
Sau khi hành trình xả kết thúc, động cơ xăng bốn kỳ một xi-lanh đã hoàn thành một chu trình làm việc. Nếu động cơ tiếp tục làm việc hay trục khuỷu vẫn quay, thì một chu trình làm việc mới lại được lặp lại như trên.
b) Động cơ điêzen bốn kỳ: chu trình làm việc của động cơ điêzen bốn kỳ cũng tương tự như động cơ xăng bốn kỳ, nghĩa là pit-tông cũng phải thực hiện bốn hành trình nạp, nén, nổ và xả. Nhưng trong động cơ điêzen bốn kỳ thì quá trình nạp và nén chỉ là không khí sạch (không phải là hoà khí). Nhiên liệu được phun vào xi lanh ở cuối hành trình nén và do không khí nén có nhiệt độ cao nên tự bốc cháy (không dùng tia lửa điện). Chu trình làm việc của động cơ điêzen bốn kỳ một xi-lanh như sau:
Hành trình nạp (hình 2-2a): khi trục khuỷu 1 quay, pit-tông 7 dịch chuyển từ Đ.C.T xuống Đ.C.D, xu-páp nạp 4 mở, xu-páp xả 6 đóng, áp suất trong xi-lanh 2 giảm, không khí ở bên ngoài qua bầu lọc được hút vào xi-lanh. Cuối hành trình nạp, áp suất và nhiệt độ của khí nạp trong xi-lanh là:
Pa = 0,08 ÷ 0,09 MN/m2; Ta = 3300 ÷ 3800K
H àn h trìn
h nén(hình 2-2b): xu-páp nạp và xả đều đóng, pit-tông dịch chuyển từ Đ.C.D lên Đ.C.T, không khí trong xi-lanh bị nén, áp suất và nhiệt độ tăng lên. Đồng thời ở cuối kỳ nén, vòi phun 5, nhờ bơm cao áp 3 sẽ phun nhiên liệu vào xi-lanh, dưới dạng sương mù, để hỗn hợp với không khí nén có nhiệt độ cao, rồi tự cháy. Cuối hành trình nén, áp suất và nhiệt độ của khí nén trong xi-lanh là:
Pc = 4 ÷ 5 MN/m2, Tc = 8000 ÷ 9000K
1 2 3
4 5 6
7
8
a/ b/ c/ d/
Hỡnh 2-2. Cấu tạo và nguyờn lý làm việc của động cơ điêzen bốn kỳ
1- Trục khuỷu; 2- Xi lanh; 3- Bơm cao áp; 4- Xu-páp nạp;
5- Vũi phun; 6- Xu-pỏp xả; 7- Pớt tụng; 8- Thanh truyền
Hành trình nổ (hình 2-2c): xu-páp nạp và xả vẫn đóng. Do dầu hay nhiên liệu phun vào xi-lanh ở cuối kỳ nén, đã được đốt cháy, nên khi pit-tông vừa đến Đ.C.T thì nhiên liệu càng cháy nhanh hơn, làm cho áp suất khí cháy tăng lên đẩy pit-tông từ Đ.C.T xuống Đ.C.D, qua thanh truyền 8, làm quay trục khuỷu 1 và sinh công.
Cuối quá trình cháy và bắt đầu quá trình giãn nở, áp suất và nhiệt độ của khí cháy trong xi-lanh là:
Pz = 6 ÷ 8 MN/m2; Tz = 1.9000 ÷ 2.2000K
Hành trình xả: (hình 2-2d): xu-páp nạp vẫn đóng còn xu-páp xả mở, pit-tông dịch chuyển từ Đ.C.D lên Đ.C.T và đẩy khí cháy đã làm việc ra khỏi xi-lanh. Cuối quá trình xả, áp suất và nhiệt độ của khí xả là:
Pr = 0,11 ÷ 0,12 MN/m2; Tr = 8000 ÷ 9000K
Sau hành trình xả, nếu động cơ vẫn tiếp tục làm việc, thì quá trình lại lặp lại từ đầu hay một chu trình mới lại được thực hiện tiếp.
Trong các máy xây dựng thế hệ mới thường dùng các loại động cơ điêzen bốn kì rất hiện đại, có tuốc bin tăng áp, vòi phun điều khiển điện tử - thuỷ lực hoặc cơ khí - điện tử, có thể làm việc với hiệu suất rất cao (hình 2-3).
Hình 2-3 - Động cơ điêzen bốn kỳ Caterpillar 3406
2. Động cơ hai kỳ:
Chu trình làm việc của động cơ hai kỳ cũng bao gồm các quá trình nạp, nén, nổ và xả, nhưng là muốn hoàn thành một chu trình làm việc, trục khuỷu của động cơ hai kỳ chỉ cần 1
2 3 4 5 6
8 9 10 7
Hình 2-4. Cờu tạo và các hành trình làm việc của động cơ xăng hai kì, loại không có xu-páp:
1- Các-te; 2- Trục khuỷu; 3- Cửa nạp; 4- Cửa xả;
5- Pit-tông; 6- Xi-lanh; 7- Buzi; 8- Cửa thổi;
9- Rãnh dẫn; 10- Thanh truyền
quay một vòng, tức là 3600 và pit-tông dịch chuyển hai hành trình. Do đó, trong mỗi hành trình của pit-tông sẽ có nhiều quá trình cùng xảy ra. Động cơ hai kỳ, thường dùng, có hai loại: động cơ xăng hai kỳ không có xu-páp và động cơ điêzen hai kỳ chỉ có xu-páp xả.
a) Động cơ xăng hai kỳ: chu trình làm việc của động cơ xăng hai kỳ, loại không có xu-páp, một xi-lanh (hình 2-4):
Hành trình nén (hình 2-4a): khi trục khuỷu 2 quay, pit-tông 5 đi từ Đ.C.D lên Đ.C.T, cửa xả 4 được pit-tông đậy kín. Hoà khí có sẵn trong xi-lanh 6 bị nén, áp suất và nhiệt độ tăng dần, đến khi pit-tông đi gần tới Đ.C.T. thì bị bốc cháy nhờ buzi phóng tia lửa điện. Khi pit-tông đi lên để nén hoà khí, thì ở phía dưới pit- tông, trong các-te 1, áp suất giảm và hoà khí từ bộ chế hoà khí qua ống nạp và được hút vào các-te qua cửa nạp 3 để chuẩn bị cho việc thổi hoà khí vào xi-lanh ở hành trình sau.
Hành trình nổ và thay khí: trong hành trình nổ và thay khí (hình 2-4b), hoà khí đã được đốt cháy ở cuối kỳ nén, nên khi pit-tông đến Đ.C.T thì hoà khí càng cháy nhanh hơn, làm cho áp suất tăng lên và đẩy pit-tông từ Đ.C.T xuống Đ.C.D, qua thanh truyền 10 làm quay trục khuỷu 2 sinh công.
Khi pit-tông dịch chuyển gần tới Đ.C.D, cửa xả 4 mở, đồng thời sau đó cửa thổi 8, có chiều cao thấp hơn cửa xả, cũng được mở tiếp và cửa nạp 3 đóng lại. Do đó, khí cháy sau khi đã làm việc, có áp suất 0,3 0,4 MN/m2 lớn hơn áp suất khí trời (0,1 MN/m2), được xả ra ngoài và hoà khí ở các-te bị nén, có áp suất 0,12 0,13 MN/m2 lớn hơn áp suất 0,11 MN/m2 của khí cháy còn lại trong xi-lanh, sẽ theo rãnh dẫn 9, qua cửa thổi 8
vào xi-lanh có hướng về phía trên đỉnh của pit-tông, góp phần làm sạch khí cháy trong đó và tạo điều kiện cho hành trình sau. Trong hành trình nổ và thay khí, áp suất và nhiệt độ của khí cháy ở trong xi-lanh là:
+ Pz = 2 3 MN/m2; + Tz = 20000 23000K
Sau hành trình nổ và thay khí, nếu trục khuỷu vẫn quay, thì quá trình làm việc của động cơ xăng hai kỳ lại lặp lại như trên.
b) Động cơ điêzen hai kỳ: a/ b/
Hình 2-5. Cấu tạo và các quá trình làm việc của động cơ điêzen hai kỳ, loại có xu-páp xả: 1- Trục khuỷu;
2- Thanh truyền; 3- Máy nén khí; 4- Xi-lanh; 5- vòi phun;
6- Xu-páp xả; 7- Pit-tông; 8- Buồng khí; 9- Cửa thổi.
1 2 3
4 5 6
7 8 9
động cơ điêzen hai kỳ, loại chỉ có xu-páp xả, có đặc điểm là không dùng các-te để chứa và thổi khí mà dùng máy nén khí để thổi khí trực tiếp vào xi-lanh.
Chu trình làm việc của động cơ điêzen hai kỳ, loại có xu-páp xả như sau:
Hành trình nén(hình 2-5a): khi trục khuỷu 1 quay, pit-tông 7 đi từ Đ.C.D lên Đ.C.T, các cửa thổi 9 (ở xung quanh thành xi-lanh) được đậy kín và sau đó xu-páp xả 6 cũng được đóng lại, không khí có sẵn trong xi-lanh 4 bị nén, áp suất và nhiệt độ tăng lên, cho đến khi pit-tông gần tới Đ.C.T, vòi phun 5 của hệ thống nhiên liệu sẽ phun nhiên liệu ở dạng sương mù với áp suất cao 10 14 MN/m2. Nhiên liệu hoà lẫn với khí nén có nhiệt độ cao, làm cho nhiên liệu tự cháy được. Cuối hành trình nén, áp suất và nhiệt độ của khí nén trong xi-lanh là: Pc = 4 ÷ 5 MN/m2; Tc = 8000 ÷ 9000K
Hành trình nổ và thay khí (hình 2-5b): do nhiên liệu đã được đốt cháy, nhờ khí nén có nhiệt độ cao ở cuối hành trình nén nên khi pit-tông đến Đ.C.T thì nhiên liệu càng cháy nhanh hơn, làm cho áp suất khí cháy tăng lên và đẩy pit-tông từ Đ.C.T xuống Đ.C.D, qua thanh truyền 2 làm quay trục khuỷu 1 và sinh công.
Khi pit-tông dịch chuyển gần tới Đ.C.D, xu-páp xả 6 mở, đồng thời sau đó các lỗ thổi 9 cũng được mở ra. Do đó, khí cháy sau khi đã làm việc, có áp suất 0,4 ÷ 0,5 MN/m2lớn hơn khí trời nên được xả ra ngoài. Đồng thời khí mới ở bên ngoài, qua bình lọc, nhờ máy nén khí 3, buồng khí 8 và các cửa thổi 9 được cung cấp vào xi-lanh với áp suất khoảng 0,14 ÷ 0,15 MN/m2 lớn hơn áp suất của khí xả còn lại trong xi-lanh 0,11 ÷ 0,12 MN/m2, góp phần làm sạch khí cháy trong đó và tạo điều kiện tốt cho hành trình sau. Trong hành trình nổ và thay khí, áp suất và nhiệt độ của khí cháy ở xi-lanh là:
Pz = 8 ÷ 10 MN/ m2; Tz = 19000 ÷ 21000K
Sau hành trinh nổ và thay khí, nếu trục khuỷu vẫn quay, thì quá trình làm việc của động cơ điêzen hai kỳ, loại có xu-páp xả, lại lặp lại như trên.
3. Ưu và nhược điểm của động cơ đốt trong
Động cơ đốt trong, kiểu pit-tông chuyển động tịnh tiến, dùng nhiên liệu xăng và dầu mazút (hay động cơ xăng và điêzen) có một số ưu nhược điểm chính sau đây:
Hiệu suất của động cơ xăng ηe = 0,18 ÷ 0,33, hiệu suất động cơ điêzen ηe = 0,27 ÷ 0,45. Tốc độ quay của trục khuỷu của động cơ xăng n = 3500 ÷ 8000 vg/ph, động cơ điêzen là n = 1200 ÷ 5000 vg/ph. Các động cơ loại này có ưu điểm là cơ động và làm việc độc lập, không phụ thuộc nguồn năng lượng cung cấp bên ngoài.
Tuổi thọ có thể đạt tới 6000 ÷ 8000 h. Phạm vi điều chỉnh tốc độ lớn (2 ÷ 2,5).
Nhược điểm lớn nhất của chúng là cấu tạo phức tạp, không đảo chiều quay trực tiếp được mà phải có thêm bộ phận đảo chiều ( hộp số). Khó có khả năng chịu quá tải, nhiên liệu đắt tiền. Động cơ đốt trong đòi hỏi chất lượng nhiên liệu cao và chi phí, chăm sóc kỹ thuật tốt trong quá trình vận hành.