Lý thuyết động cơ đốt trong đh kỹ thuật công nghiệp tp HCM

LÝ THUYẾT ĐỘNG CƠ
ĐỐT TRONG
(THEORY of ICE)


Nội Dung Môn Học
1. Lịch sử phát triển của ĐCĐT
2. Khái niệm về động cơ nhiệt.
3. Phân loại động cơ đốt trong.
4. Tổng quát về của động cơ đốt trong.
5. Những khái niệm và định nghĩa cơ bản.
6. Chu trình lý tưởng của ĐCĐT-Cơ sở nhiệt động học
7. Nhiên liệu và môi chất công tác của ĐCĐT
8. Chu trình làm việc của ĐCĐT
9. Tăng áp trong ĐCĐT
10.Nhiên liệu thay thế và một số hướng
phát triển chính của ĐCĐT trong tương lai


Tài liệu tham khảo
1. Nguyễn tất Tiến:
“Nguyên lý động cơ đốt trong” Nhà xuất bản Giáo Dục; 9/2001
2. Phạm minh Tuấn:
“Nguyên lý động cơ đốt trong” Nhà xuất bản Giáo Dục; 2002
3. Heywood, J. B.:
“Internal Combustion Engine Fundamental”
New York: McGraw-Hill, 1988
4. Basshuysen, R. van; Schäfer, F.:
“Internal Combustion Engine Handbook”
Wiesbaden: Vieweg, Germany, 2002
5.

Quoc Phong Le:
“Influences of EGR and Alternative Fuels on Thermodynamic
and Emission Parameters of Heavy-Duty Engine”
TAE, Technische Akademie Esslingen, Sttugart, 6th International
Colloquium Fuels, Proceedings, ISBN 3-924813-67-1, Germany
www.tae.de, 2007
6. Quoc Phong Le:
“Influences of EGR and Alternative Fuels on Thermodynamic
and Emission Parameters of Heavy-Duty Engine”
Dissertation, University of Magdeburg, Germany,
2007


1673
Máy bốc hơi bột
Christian Huygens

1600

1700

1801
1816
Máy 2 kỳ (mit
Máy không khí
Khí than, nén trước
nóng,
đốt cháy
R. Stirling
(Phillipe Lebon)

1800

1765
Máy hơi nước
James Watt

Quelle Animation:

1820-1830
Máy khí đầu tiên
(gần giống của
Huygens,
Với khí và nước làm mát
1826
sử dụng trên xe
(S. Brown)

Internet: ThinkQuest, Fa. Oracle, Start your engine, team C006011, 2000
/>
1862
1867
Máy thực hiện
ĐC khí
quá trình 4 kỳ
(N.A. Otto
(A. Beau de and Eugen Lange)
Rochas)

1850

1860
ĐC khí kiẻu tự
hút đầu tiên
Khong nén
trước.ĐCĐT
đầu tiên
N. A. Otto
(Jean Lenoir)


1876
ĐC 4 kỳ
Nén hỗn hợp
(N.A. Otto)

1897
ĐC Diesel
Nén khí
tự đánh lửa
(R. Diesel)

1921
ĐC Diesel
Phun trực tiếp
(Deutz)

1

Từ 1970
Đẩy mạnh nghiên

cứu giảm độc hại
khí thải và dùng
nhiên liệu thay thế
Và cải tiến hệ thông
truyền động

1997
ĐC xăng với DI
(Japan)

1

1884
Bắt đầu
ĐC xăng
Cao tốc
Beginn der Fahrzeugmotorentechnik
(G. Daimler,
W. Maybach)

1900
1909
ĐC Diesel
Với buồng
cháy phụ
SX hàng loạt1922
(Prosper
L‘Orange)

1950

1954
ĐC kiểu
piston quay
(F. Wankel)

1989
ĐC Diesel
Xe chở
người đầu
tiên có phun
trưc tiếp
(Audi)

2
3

Quelle:

1: Helmut Hütten, "Motoren", Motorbuchverlag Stuttgart
2: Internet: Der Wankelmotor, , 2000-2006
3: MTZ-Sonderheft, TDI-Der Turbodieselmotor mit direkter Einspritzung von Audi revolutionierte die PKW-Dieselmotorentechnik, Vieweg-Verlag, 1999


Khái niệm về động cơ nhiệt

+ Khái niệm: Động cơ nhiệt là thiết bị cơ khí có khả năng
chuyển nhiệt năng do nhiên liệu cháy thành cơ năng.
+ Động cơ đốt trong: là loại động cơ nhiệt mà việc đốt cháy
nhiên liệu, sự toả nhiệt và quá trình chuyển nhiệt năng
thành cơ năng được tiến hành ngay trong động cơ.

Phân loại ĐCĐT
1. Dựa vào cách thực hiện chu trình công tác.
2. Dựa vào nhiên liệu dùng cho động cơ.
3. Dựa vào phương pháp hình thành hỗn hợp.
4. Dựa vào phương pháp đốt cháy nhiên liệu.
5. Theo phương pháp nạp.
6. Theo hệ thống điều khiển trao đổi khí
7. Theo cấu tạo của động cơ
8. Theo phương pháp làm mát
9. Theo cách điều khiển tải
10. Theo tốc độ và công xuất
11. Theo khả năng thay đổi chiều quay, chiều lực khí thể và tốc độ trung
bình piston
12. Theo lĩnh vực sử dụng


Phân Loại ĐCĐT
Chu trình làm việc

Chu trình mở

Chu trình kín

Cháy bên trong

Cháy bên ngoài

Môi chất: khí cháy

Môi chất không phải là khí cháy (thay đổi
pha)

Cháy có chu kỳ

Cháy liên tục

Quá trình cháy
Kiểu đánh lửa

Loại
ĐC

ĐCDT

Tự động đánh
lửa
(Auto-Ignition)
Diesel

Từ nguồn lửa bên ngoài
(Supplied Ignition)
ĐC lai
(Hybrid)

ĐC xăng
(Gasoline)

Turbine

Phương pháp hình
thành hỗn hợp

Ro
hs
Kh
í

Không đồng nhất
(Hình thành bên trong ĐC)

Đồng nhấtHình thành
bên ngoài
(Không đồng
nhất DI-Hình
thành bên
trong)

Stirling
Hơi nước nóng

Hơi nước
Hơi nước

Không đồng nhất
(Hình thành trong quá trình cháy liên tục)


Phân Loại ĐCĐT
• Dựa vào cách thực hiện chu trình công tác:

1. ĐC 4 kỳ: chu trinh công tác thực hiện trong 4 hành trình pít tông
(2 vòng quay trục khuỷu)
2. ĐC 2 kỳ: chu trinh công tác thực hiện trong 2 hành trình pít tông
(1 vòng quay trục khuỷu)

• Dựa vào nhiên liệu dùng cho động cơ:
1. Nhiên liệu khí: CNG (methane, propane, butane, Natural Gas…)
2. Nhiên liệu lỏng: Loại nhẹ (xăng (gasoline), alcohol (methanol, ethanol), khí hoá lỏng
(LNG, LPG), kerosene); Loại nặng (diesel fuel, FAME (Fatty-acid Methyl Esters) và
RME (BIODIESEL), GTL, BTL, CTL, dầu thực vật, nhiên liệu cho tàu thuỷ);
Hybrid Fuel (Diessel+RME, Gasoline+Ethanol, O2-Diesel, Diesel +Khác..)
3. Nhiên liệu rắn: Than hoá bột


Phân Loại ĐCĐT
• Dựa vào phương pháp hình thành hỗn hợp:
1. Hinh thành hỗn hợp bên ngoài (External Mixture Generation)
2. Hình thành hỗn hợp bên trong (Internal Mixture Generation)
3. Dựa vào chất lượng của quá trình hoà trôn:
. Hỗn hợp đồng nhất (Homogeneous): Carburetor, Phun ở đường nạp
(intake manifold injection), Phun trực tiếp trong ĐC xăng ở hành trình nạp
. Hỗn hợp không đồng nhất(Heterogeneous): Diesel, Phun xăng trực tiếp (GDI)
4. Dựa vào vị trí hình thành hỗn hợp (Kiểu phun):
. Phun trực tiếp vào buồng cháy: Diesel phun trực tiếp (DI), xăng phun trực tiếp
(GDI) – Tia phun hướng theo tia khí (Air-Directed), Hướng theo tia phun
(Jet-Directed), Hướng theo vách buồng cháy (Wall-Directed)
. Phun gián tiếp (IDI): Phun vào buồng cháy phụ trong ĐC Diesel
(Subsidiary Chamber) - Buồng cháy trước (Antechamber), Buồng cháy xoáy lốc
(Swrirl Chamber)
. Phun vào đường nạp (ĐC xăng)

Phân Loại ĐCĐT
• Dựa vào phương pháp hình thành hỗn hợp:

Carburetor

ĐC xăng DI

ĐC xăng MPI
(Multi-Point Inject.)

ĐC xăng SPI
(Single Point Inject.)


Phân Loại ĐCĐT
• Dựa vào phương pháp hình thành hỗn hợp:

ĐC Diesel buồng cháy trước(IDI)

ĐC Diesel buồng cháy xoáy lốc(IDI)

ĐC Diesel phun trực tiếp (DI)


Phân Loại ĐCĐT
• Dựa vào phương pháp đốt cháy nhiên liệu:
1. Tự cháy (Auto-Ignition): Diesel
2. Đốt cháy nhờ nguồn lửa bên ngoài (Supplied Ignition): Xăng

• Dựa vào phương pháp Nạp:
1. ĐC loại thông thường (Không tăng áp- Natural Aspirated Engine): Piston hút trực
tiếp từ khí trời hay không khí quét vào xi lanh
2. ĐC tăng áp (Supercharging): Khí nạp sẽ dược nén trước khi nạp vào xi lanh
. Tăng áp cơ khí (Mechanical Supercharging): Máy nén dẫn động bằng ĐC
. Tăng áp Turbine (Turbo-Charging): Máy nén dẫn động bằng Turbine, Turbine
dẫn động bằng khí xả của ĐC – Tăng áp một bậc, hai bậc (Two-Stage Turbocharge)


Phân Loại ĐCĐT
• Theo hệ thống điều khiển trao đổi khí:
1.
2.
3.
4.

Hệ thống phân phối khí treo dùng xupáp (Overhead Valve)
Hệ thống phân phối khí xupáp kiểu đặt (Side-Actuated Valve)
Dùng 1 trục cam hay 2 trục cam (DOHC)
Phân phối khí dùng cửa (Slots, Ports): ĐC 2 kỳ, ĐC 2 kỳ dùng xupáp thải

• Theo phương pháp làm mát:
1. Làm mát trực tiếp (DC): Làm mát bằng không khí, có hoặc không có sự trợ giúp
của quạt
2. Làm mát gián tiếp (IDC): Dùng môi chất làm mát (Hỗn hợp: nước, chất chống
đông đá, chất làm giảm mài mòn…


Phân Loại ĐCĐT

• Theo cách điều khiển tải:
1. Công xuất ĐC:

P = M ω = M 2π n

. Điều khiển lượng: ĐC xăng, lambda- hệ số dư lượng không khí gần như không đổi,
điều khiển khối lượng hỗn hợp nạp vào xy lanh
. Điều khiển chất: ĐC Diesel và GDI (ĐC xăng phun trực tiếp), lưu lượng khí không đổi
lượng phun thay đổi, hệ số dư lượng không khí (λ) thay đổi


Phân Loại ĐCĐT
• Theo tốc độ và công xuất:
1. Công xuất của ĐC từ ĐC mẫu: 0.1kW tới ĐC thương mại 50 000kW
2. ĐC có tốc độ thấp: Ví dụ ĐC trên tàu thuỷ (60 – 200 rpm/ ĐC Diesel)
3. ĐC có tốc độ trung bình:200 – 1000 rpm (ĐC Diesel); tốc độ lớn nhất
<4000rpm (ĐC xăng)
4. ĐC có tốc độ cao: Tốc độ lớn nhất >1000rpm (ĐC Diesel); >4000rpm
(ĐC xăng)
5. ĐC cho xe thể thao hay xe đua: Tốc độ lên tới 22000rpm


Phân Loại ĐCĐT
• Theo cấu tạo của ĐC:
1. Theo số xy lanh: 1 xy lanh, nhiều xy lanh (lên đén 12, 48 thậm chí 56 xy lanh
đối với ĐC cỡ lớn, ĐC máy bay có thể lên tới 28 xy lanh)
2. Theo cách bố trí xy lanh:
- Xy lanh đặt thẳng đứng
- Xy lanh đặt nằm ngang
- Xy lanh đặt nghiêng

- ĐC một hàng (Inline Engine): 1 khối thân máy (bank of Cylinders)
1 trục khuỷu (a Crankshaft)
- ĐC chữ V: Góc chữ V (45, 60, 90, 180o) hay 15o
- ĐC chữ W: 3 khối thân máy, 1 trục khuỷu
- ĐC hình sao (Radial Engine)
- ĐC có piston đối đỉnh (Double-shaft Opposed -piston Engine)


1

ĐC 1 hàng

2

3

Piston 2 phía

5

4

W-Motor

V-Motor

6

Hình sao (Star motor)

7

8

Hình sao theo hàng

Quelle: 1: www.motor-on.de; 2: www.torpedo-emscher.de; 3, 5: Zima, Ungewöhnliche Motoren, 2. Auflage, Vogel-Verlag 2005; 4, 6, 7, 8: www.wikipedia.org;


Doppelreihen-Motor

X-Motor

H-Motor

Zweiwellen-Gegenkolbenmotor

Taumelscheiben-/
Schrägscheibenmotor

Zima, Ungewöhnliche Motoren, 2. Auflage, Vogel-Verlag 2005

Dreiwellen-Gegenkolbenmotor

Kurvenscheibenmotor


Phân Loại ĐCĐT
• Theo khả năng thay đổi chiều quay:
- ĐC quay phải

- ĐC quay trái
- ĐC quay được 2 chiều (Nhờ cơ cấu đảo chiều): ĐC tàu thuỷ

• Theo chiều lực khí thể tác dụng lên Piston:
- ĐC chỉ có một phía của Piston có chu trình công tác (tác dụng đơn)
- ĐC tác dụng kép: Hai phía của Piston có chu trình công tác

sn
• Theo tốc độ trung bình của Piston: cm =
(m / s )
30
- Tốc độ thấp: c <= 6.5 m/s
m

- Tốc độ trung bình: cm= 6.5 - 9 m/s
- Tốc độ cao:cm> 9 m/s


Phân Loại ĐCĐT
• Theo lĩnh vực sử dụng:
1. ĐC xe thương dùng: ĐC hạng nhẹ, hạng nặng, thương mại, buýt (On-Road),
xe lửa, ĐC lắp trên các phương tiện dùng ở các loại địa hình khác (Off-Road)
2. ĐC tàu thuỷ
3. ĐC máy bay và thuỷ phi cơ
4. ĐC lắp trên các phương tiện chuyên dùng: Trong nông nghiệp, xây dựng
Tractors
5. ĐC tĩnh tại: ĐC kéo máy phát điện, kéo máy bơm..


Phân Loại ĐCĐT

• Theo lĩnh vực sử dụng:
1. ĐC lắp trên các phương tiện vận tải

2. ĐC lắp trên các phương tiện trong nông nghiệp và xây dựng


Phân Loại ĐCĐT
• Theo lĩnh vực sử dụng:
3. ĐC lắp trên tàu thuỷ - tàu hoả

4. ĐC tĩnh tại và phản lực


Tổng quát về động cơ đốt trong
Động cơ đốt trong cấu tạo bởi các bộ
phận chủ yếu sau:
- Cơ cấu thanh truyền – trục khuỷu.
- Cơ cấu phân phối khí.
- Các chi tiết cố định.
- Hệ thống nuôi dưỡng (hệ thống cung
cấp nhiên liệu và không khí).
- Hệ thống bôi trơn.
- Hệ thống làm mát.
- Hệ thống đánh lửa (chỉ có ở động cơ
xăng).

5
nạp

thải

3

4

2

1