Nguyên Lý Hoạt Động Của Động Cơ Đốt Trong Trên Ô Tô
Động cơ đốt trong là trái tim của mỗi chiếc ô tô, quyết định hiệu suất và khả năng vận hành. Hiểu rõ nguyên lý hoạt động của động cơ này giúp chúng ta không chỉ hiểu về cơ cấu hoạt động mà còn mở ra cơ hội cải tiến trong ngành công nghiệp ô tô. Bài viết này sẽ trình bày về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ đốt trong.
I - Nguyên lý hoạt động cơ bản:
Mục đích của một chiếc xe động cơ xăng là để chuyển đổi năng lượng nhiên liệu xăng thành chuyển động sao cho chiếc xe có thể di chuyển. Hiện nay cách dễ nhất để tạo ra chuyển động từ năng lượng nhiên liệu xăng là để đốt cháy xăng bên trong động cơ xăng. Vì vậy, một động cơ xe hơi là một động cơ đốt trong, đốt cháy diễn ra bên trong động cơ. Động cơ xăng và động cơ diesel là các động cơ đốt trong điển hình. Mỗi loại có những ưu điểm và nhược điểm riêng của nó.
Một động cơ hơi nước trên xe lửa kiểu cũ hay trên thuyền hơi nước là ví dụ tốt nhất của một động cơ đốt bên ngoài. Các nhiên liệu (than đá, gỗ, dầu, hay bất cứ thứ gì cháy được) trong một động cơ hơi nước được đốt bên ngoài động cơ để tạo ra hơi nước, và hơi nước tạo nên chuyển động bên trong động cơ.
Động cơ đốt trong có nhiều hiệu quả hơn (mất ít nhiên liệu cho mỗi dặm hành trình) so với động cơ đốt bên ngoài, hơn nữa một động cơ đốt trong nhỏ hơn nhiều so với một động cơ đốt ngoài tương đương.
Một ví dụ tốt về động cơ đốt trong là súng pháo trong các cuộc cách mạng ngày xưa. Bạn có thể nhìn thấy nơi các chiến sĩ nạp thuốc súng và một quả đạn pháo và châm lửa. Nhiệt tạo ra và lực do khí sinh ra làm đạn pháo được đẩy ra khỏi nòng ở tốc độ rất cao.
Pháo này sử dụng các nguyên tắc cơ bản của bất kỳ một động cơ đốt trong chuyển động tịnh tiến nào: Nếu bạn đặt một lượng nhỏ nhiên liệu có năng lượng cao (như xăng) trong một không gian nhỏ và kín, sau đó đốt nó, năng lượng được sinh ra bằng sự giãn nỡ của không khí.
II - Chu trình làm việc động cơ 4 kỳ:
Động cơ chuyển động tịnh tiến được phân thành hai loại: 2 kỳ và 4 kỳ. Nguyên tắc hoạt động của động cơ là hỗn hợp của không khí và xăng là phun vào các xy lanh, hỗn hợp được cháy, áp suất cháy đẩy pít tông chuyển động tịnh tiến, và chuyển động tịnh tiến được biến đổi thành chuyển động quay nhờ trục khuỷu . Hầu như tất cả các xe bốn kỳ hiện nay đốt cháy nhiên liệu để chuyển đổi thành chuyển động. Chu trình làm việc bốn kỳ cũng được gọi là chu kỳ Otto, để vinh danh Nikolaus Otto, người phát minh ra nó năm 1867. Trục ngang của đồ thị đại diện cho những áp suất bên trong buồng đốt và trục dọc đại diện cho thể tích của buồng đốt.
Chu trình 4 kỳ của động cơ bao gồm:
1. Kỳ nạp (A-B):
Pít tông bắt đầu ở điểm chết trên, xu-páp hút mở ra, và pít tông di chuyển xuống. Trên động cơ xăng, động cơ nạp đầy xy lanh hỗn hợp của không khí và xăng. Trên động cơ diesel chỉ có không khí được nạp vào trong buồng đốt.
2. Kỳ nén (B-C):
Các pít tông chuyển động đi lên để nén nhiên liệu hỗn hợp không khí, do đó áp suất và nhiệt độ tăng lên. Nhiên liệu bay hơi do nhiệt độ tăng lên khi không khí bị nén. Tỉ lệ nén trên một động cơ xăng là khoảng 10:1, trên động cơ diesel là khoảng 25:1.
3. Kỳ cháy (C-D):
Khi pít tông lên điểm trên cùng, điểm được gọi là điểm chết trên (TDC). Trên động cơ xăng đánh lửa sẽ được thực hiện bởi các tia lửa điện tạo ra từ các bu-gi. Ở động cơ diesel nhiên liệu được phun vào buồng đốt ngay trước khi pít tông đạt TDC và hỗn hợp nhiên liệu không khí hỗn hợp được cháy bằng sức nóng của khí nén. Hỗn hợp này không phải hoàn toàn cháy tại thời điểm đánh lửa. Kết quả là sau thời điểm đánh lửa một khoảng thời gian, áp suất tối đa được sinh ra bên trong buồng đốt. Khí cháy giãn nỡ đẩy pít tông đi xuống.
4. Kỳ xả (D-E):
Khi pít tông xuống tới đáy của hành trình, cũng được gọi là điểm chết dưới (BDC), xu-páp xả khí thải sẽ mở ra và khí xả thoát khỏi xy lanh để đi ra đường ống pô thải.
Bây giờ động cơ đã sẵn sàng cho chu kỳ tiếp theo, bắt đầu nạp tiếp không khí cho chu kì tiếp theo.
III - Phân loại động cơ:
1. Phân loại động cơ:
Động cơ có thể được phân loại như sau:
• Nguyên tắc làm việc: động cơ xăng (đánh lửa bằng bu gi) hoặc động cơ diesel (cháy do sức nén)
• Làm mát: bằng nước hoặc bằng không khí
• Chu kỳ hoạt động: hai hoặc bốn kỳ
• Cơ cấu phối khí: kiểu trục cam nằm trên nắp qui lát (OHC) hoặc kiểu xu pap treo (OHV)
• Số xy lanh: Động cơ có thể có 4, 6 hoặc 8 xy lanh.
• Sự sắp xếp các xy lanh: trong động cơ nhiều xy lanh, xy lanh thường được sắp xếp theo ba kiểu: thẳng hàng, chữ V, hoặc đối đỉnh.
Loại động cơ xy lanh kiểu thẳng hàng thì các xy lanh được bố trí tuần tự. Trong loại này, kết cấu của lốc máy rất đơn giản và nắp máy chỉ là một khối, do đó động cơ rất gọn nhẹ. Loại động cơ này thường có 3, 4, 5 hoặc 6 xy lanh. Động cơ kiểu V thường có 6, 8,10 hoặc 12 xy lanh. Chúng thường được trang bị trên các xe loại lớn hay xe thể thao. Động cơ với kiểu động cơ đối đỉnh thường có 6, 8, 10 hoặc 12 xy lanh. Bởi vì trọng tâm được hạ thấp nên chủ yếu áp dụng cho loại xe thể thao.
2. Sự bố trí động cơ trên xe:
Động cơ có thể được đặt theo chiều dọc hoặc ngang thân xe, hoặc là ở phía trước, ở giữa hoặc phía sau xe. Ví dụ, loại xe FR, có động cơ ở phía trước (chiều dọc) và truyền động ra bánh xe phía sau thông qua hộp số và trục các-đăng. Xe kiểu FF chủ yếu áp dụng trên xe nhỏ, vì trục quay của động cơ và các trục dẫn động được bố trí song song, do đó làm giảm không gian cần thiết cho việc gá lắp.
Loại xe có động cơ lắp ở giữa tập trung vào việc nâng cao hiệu suất hơn là sự thoải mái của hành khách nên chủ yếu áp dụng cho những chiếc xe thể thao.
IV - Những yêu cầu co bản của động cơ:
Nhiều yêu cầu khác nhau mà một động cơ phải đáp ứng. Mỗi hoạt động được liên kết với nhau một cách phức tạp, và có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ. Yêu cầu là:
• Ô nhiễm khí xả thấp: cháy hiệu quả là chìa khóa chính cho việc giảm phát ra khí thải độc hại. Điều này có thể đạt được với thiết kế buồng đốt cháy khác nhau.
• Gọn nhẹ: yêu cầu các động cơ trọng lượng khoảng 10-15% trọng lượng tổng số xe, một phương pháp để có được công suất cao hơn và hiệu quả nhiên liệu tốt hơn là làm cho động cơ nhỏ gọn. Xe có động cơ nhẹ hơn sẽ sinh ra được công suất cao hơn và mức tiêu thụ nhiên liệu sẽ giảm.
• Đáp ứng tốt: động cơ phải đảm bảo duy trì được tính dễ điều khiển và an toàn.
• Tiếng ồn: khi động cơ tạo ra lực dẫn động do đốt nhiên liệu, tiếng ồn và độ rung không có thể tránh được. Điều quan trọng là để ngăn chặn những tiếng ồn và độ rung truyền đến các khoang hành khách.
• Bảo dưỡng: động cơ là một bộ phận cơ khí của chiếc xe, do vậy bảo dưỡng các bộ phận liên quan rất quan trọng và cần thiết.
