Đề cương bài giảng lý thuyết động cơ ô tô (hệ cao đẳng)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG
HỌC PHẦN: LÝ THUYẾT ĐỘNG CƠ Ô TÔ
SỐ TÍN CHỈ: 02
LOẠI HÌNH ĐÀO TẠO: CAO ĐẲNG CHÍNH QUY
NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

Hưng Yên, năm 2015


Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên

CHƢƠNG I: KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
1.1. Động cơ đốt trong
Động cơ đốt trong là một trong các loại động cơ nhiệt, biến đổi nhiệt năng của
nhiên liệu thành cơ năng. Động cơ nhiệt hoạt động với hai quá trình cơ bản như sau:
- Đốt cháy nhiên liệu, giải phóng hóa năng thành nhiệt năng và gia nhiệt cho môi
chất công tác. Trong giai đoạn này xảy ra các hiện tượng lý hoá rất phức tạp.
- Biến đổi trạng thái của môi chất công tác, hay nói cách khác, môi chất công tác
thực hiện chu trình nhiệt động để biến đổi một phần nhiệt năng thành cơ năng.
Trên cơ sở đó có thể phân loại động cơ nhiệt thành hai loại chính là động cơ đốt
ngoài và động cơ đốt trong.
Ở động cơ đốt ngoài, ví dụ máy hơi nước cổ điển trên tàu hỏa, hai giai đoạn trên xảy
ra ở hai nơi khác nhau. Giai đoạn thứ nhất xảy ra tại buồng đốt và nồi xúp-de, kết quả
được hơi nước có áp suất và nhiệt độ cao. Còn giai đoạn thứ hai là quá trình giãn nở của
hơi nước trong buồng công tác và sinh công làm quay bánh xe.
Ở động cơ đốt trong, hai giai đoạn trên diễn ra tại cùng một vị trí, đó là bên trong
buồng công tác của động cơ.
Hai loại động cơ nói trên đều có hai kiểu kết cấu, đó là động cơ kiểu pít tông và

kiểu tuabin theo sơ đồ dưới đây, hình 1-1.
Động cơ nhiệt
Động cơ đốt ngoài
Kiểu pít tông
iston

Kiểu tuabin

Động cơ đốt trong
Kiểu pít tông

Kiểu tuabin

Kiểu rô to

Hình 1-1. Động cơ đốt trong thuộc họ động cơ nhiệt
Do giới hạn của giáo trình, chúng ta chỉ xét động cơ đốt trong kiểu pít tông và từ
đây gọi vắn tắt là động cơ đốt trong (ĐCĐT). Trong thực tế, động cơ kiểu tuabin là đối
tượng khảo sát của chuyên ngành máy tuabin.

1


Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên
1.2. So sánh động cơ đốt trong với các loại động cơ nhiệt khác
Ƣu điểm

Nhƣợc điểm

- Hiệu suất có ích e lớn

- Khả năng quá tải kém, cụ thể không quá 10%
nhất, có thể đạt tới 50% hoặc trong 1 giờ.
hơn nữa. Trong khi đó, máy
- Tại chế độ tốc độ vòng quay nhỏ, mô men sinh ra
hơi nước cổ điển kiểu pít tông không lớn. Do đó, động cơ không thể khởi động được
chỉ đạt khoảng 16%, tuabin khi có tải và phải có hệ thống khởi động riêng.
hơi nước từ 22 đến 28%, còn
- Công suất cực đại không lớn. Ví dụ, một trong
tuabin khí cũng chỉ tới 30%.
những động cơ lớn nhất thế giới là động cơ của hãng
- Kích thước và trọng MAN B&W có công suất 68.520 kW (số liệu 1997),
lượng nhỏ, công suất riêng trong khi tuabin hơi bình thường cũng có công suất tới
lớn. Do đó, động cơ đốt trong vài chục vạn kW.
rất thích hợp cho các phương
- Cấu tạo phức tạp, giá thành chế tạo cao.
tiện vận tải với bán kính hoạt
- Nhiên liệu cần có những yêu cầu khắt khe như
động rộng.
hàm lượng tạp chất thấp, tính chống kích nổ cao, tính tự
cháy cao... nên giá thành cao. Mặt khác, nguồn nhiên
và chăm sóc động cơ thuận
liệu chính là dầu mỏ ngày một cạn dần. Theo dự đoán,
tiện, dễ dàng.
trữ lượng dầu mỏ chỉ đủ dùng cho đến giữa thế kỷ 21.
- Khởi động, vận hành

- Ô nhiễm môi trường do khí thải và ồn.
Tuy nhiên, với những ưu điểm nổi bật như trên, động cơ đốt trong hiện nay vẫn là
máy động lực chủ yếu, đóng vai trò vô cùng quan trọng trong các lĩnh vực của đời sống

con người như giao thông vận tải, xây dựng, khai thác mỏ, nông nghiệp, ngư
nghiệp...Theo các nhà khoa học, trong vòng nửa thế kỷ tới vẫn chưa có động cơ nào có
thể thay thế được động cơ đốt trong.

2


Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên

1.3. Phân loại động cơ đốt trong
§éng c¬ ®èt trong cã thÓ ®-îc ph©n lo¹i theo nhiÒu tiªu chÝ kh¸c nhau:
Tiêu chí phân
loại

Các loại động cơ
Động cơ bốn kỳ: Là động cơ có chu trình công tác thực hiện sau

Theo cách thực bốn hành trình của pít tông hay hai vòng quay của trục khuỷu.
hiện chu trình Động cơ hai kỳ: Là động có chu trình công tác thực hiện sau hai
công tác
hành trình của pít tông hay một vòng quay của trục khuỷu.
Động cơ nhiên liệu lỏng: như xăng, điêzen (diesel), cồn pha xăng
hoặc điêzen (diesel), dầu thực vật...
Động cơ nhiên liệu khí: Nhiên liệu khí bao gồm: khí thiên nhiên
(Compressed Natural Gas - CNG), khí hoá lỏng (Liquidfied
Petroleum Gas - LPG), khí lò ga, khí sinh vật (Biogas)...
Theo nhiên liệu

Động cơ nhiên liệu kép (Dual Fuel) ví dụ như động cơ gas+ xăng,
ga + điêzen (diesel)…

Động cơ đa nhiên liệu (Multi Fuel) như động cơ có thể dùng được
cả điêzen (diesel) và xăng, hoặc động cơ dùng cả xăng và khí đốt.

Theo

phương

Hình thành hỗn hợp bên ngoài xy lanh như động cơ xăng dùng bộ

pháp hình thành chế hòa khí hoặc hệ thống phun xăng gián tiếp (phun vào đường
khí hỗn hợp
nạp).
Hình thành hỗn hợp bên trong xy lanh như động cơ điêzen (diesel)
hay động cơ phun xăng trực tiếp (Gasoline Direct Injection - GDI)
vào xy lanh.
Theo
phương Động cơ đốt cháy cưỡng bức như động cơ xăng.
pháp đốt cháy Động cơ cháy do nén như động cơ điêzen (diesel).
hỗn hợp
Theo
phương Động cơ không tăng áp: không khí hay hỗn hợp được hút vào xy
pháp nạp
lanh bởi sự chênh áp giữa đường nạp và xy lanh.
3


Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên
Động cơ tăng áp: không khí hay hỗn hợp được nén trước khi nạp
vào xy lanh.
Theo tốc độ trung bình của pít tông

Gọi tốc độ trung bình của pít tông là cm. Dễ dàng tính được c m 

S.n
(m/s) với S
30

là hành trình pít tông (m) và n là tốc độ vòng quay của trục khuỷu (v/ph). Theo cm
người ta phân loại động cơ như sau:
Động cơ tốc độ thấp
Động cơ tốc độ trung
bình
Động cơ cao tốc

3,5 m/s  cm  6,5 m/s
6,5 m/s  cm  9 m/s
cm  9 m/s

Theo dạng chuyển động Động cơ pít tông tịnh tiến thường gọi ngắn gọn là động cơ
của pít tông

pít tông. Đa số động cơ đốt trong là động cơ pít tông.
Động cơ pít tông quay hay động cơ rôto do Wankel phát
minh năm 1954 nên còn gọi là động cơ Wankel.

Theo cách bố trí xy lanh

Thứ tự bố trí xy lanh

Động cơ thẳng hàng
Hình 1-2: Động cơ thằng hàng

Động cơ chữ V

Hình 1-3: Động cơ chữ V
4


Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên

Động cơ đối đỉnh
Hình 1-4: Động cơ đối đỉnh

Động cơ hình sao

Hình 1-5: Động cơ
hình sao

1.4. Nguyên lý làm việc của động cơ đốt trong loại trục khuỷu – thanh truyền
1.4.1. Sơ đồ nguyên lý và cấu trúc cơ bản
Cấu tạo của động cơ đốt trong bao gồm:
a. Cơ cấu sinh lực gồm:
1. Bộ hơi: Xy lanh, cụm pít tông, nắp máy…
2. Bộ phận chuyển động và dự trữ năng lượng: Trục khuỷu, thanh truyền, bánh đà.
b. Các hệ thống và cơ cấu khác:
1. Cơ cấu phối khí: Cụm xuppap hút và xả, trục cam, cơ cấu dẫn động trục cam.
2. Hệ thống bôi trơn: Cácte dầu, bơm dầu, lọc dầu, các tuyến dầu, két làm mát dầu…
3. Hệ thống làm mát: Két nước, bơm nước, áo nước, van hằng nhiệt, đường ống nước…
4. Hệ thống cung cấp nhiên liệu: Hệ thống nhiên liệu dùng chế hòa khí hoặc phun xăng,
hệ thống nhiên liệu đông cơ điêzen (diesel).
5. Hệ thống điện động cơ: Hệ thống khởi động, hệ thống cung cấp điện…

5


Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên

Cấu trúc cơ bản

Lƣợc đồ

6

5

§CT

4

S

D

§CD

3
2

1

Hình 1-6: Cấu trúc động cơ 4 kỳ

1. Trục khuỷu

2. Thanh truyền

3. Xy lanh
5. Xuppap nap
7.Trục cam nạp
9. Xuppap xả
11. Đường ống xả

4. Pít tông
6. Họng hút
8.Trục cam xả
10.Nắp máy

Hình 1-7: Lược đồ động cơ bốn kỳ
1. Trục khuỷu
2. Thanh truyền,
3. Piston
4. Xuppáp thải(xả)
5. Vòi phun (động cơ diesel) hay bugi
(động cơ xăng),
6. Xuppáp nạp
ĐCT. Điểm chết trên
ĐCD. Điểm chết dưới
S. Hành trình piston
D. Đường kính xy lanh

1.4.2. Các khái niệm và thông số cơ bản của động cơ đốt trong
Dựa vào lược đồ hình 1-7. Ta có thể đưa ra một số khái niệm cơ bản sau:

Quá trình công tác là tổng hợp tất cả biến đổi của môi chất công tác xảy ra trong xy
lanh của động cơ và trong các hệ thống gắn liền với xy lanh như hệ thống nạp - thải.
Chu trình công tác là tập hợp những biến đổi của môi chất công tác xảy ra bên
trong xy lanh của động cơ và diễn ra trong một chu kì.
Kỳ là một phần của chu trình công tác xảy ra khi pít tông dịch chuyển một hành trình.
Điểm chết: Trong hoạt động của cơ cấu sinh lực có hai khái niệm điểm chết: điểm
chết của pít tông và điểm chết của trục khuỷu.
Điểm chết của pít tông là điểm mà tại đó pít tông có vận tốc bằng 0, hoặc diễn giải
theo một cách khác: là điểm pít tông ở vị trí cao nhất hoặc thấp nhất trong lòng xy lanh.
Như vậy pít tông có 2 điểm chết (hình 1.8) là điểm chết trên (ĐCT) và điểm chết dưới
(ĐCD). Điểm chết trên của pít tông là điểm mà pít tông cách xa đường tâm trục khuỷu
6


Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên
nhất. Điểm chết dưới của pít tông là điểm mà pít tông cách tâm trục khuỷu một khoảng
ngắn nhất.

Hình 1-8: Các vị trí điểm
chết của ĐCĐT

Điểm chêt của trục khuỷu cũng có hai vị trí là điểm chết trên (ĐCT) và điểm chết dưới
(ĐCD), là các điểm mà tại đó đường tâm của má khuỷu trùng với đường tâm của thanh
truyền.
Hành trình pít tông (S): Là khoảng cách giữa hai điểm chết (m).
Thể tích công tác Vh là khoảng không gian trong lòng xilanh được tính từ mặt đỉnh pít
tông ở ĐCD tới mặt đỉnh pít tông ở ĐCT.
Thể tích buồng cháy Vc là khoảng không gian trong lòng xilanh được tính từ mặt đỉnh
pít tông ở ĐCT tới bề mặt của vòm nắp máy bao kín phía trên xy lanh.
Thể tích toàn phần Va là khoảng không gian trong lòng xilanh được tính từ mặt đỉnh

pít tông ở ĐCD tới bề mặt của vòm nắp máy bao kín phía trên xy lanh .
Tỷ số nén  là tỷ số giữa thể tích lớn nhất( thể tích toàn phần Va) và thể tích nhỏ nhất
(thể tích buồng cháy Vc ):


Vmax Vh  Vc
V

1 h
Vmin
Vc
Vc

(1.1)

7


Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên

1.4.3. Nguyên lí làm việc của động cơ xăng 1 xy lanh
Động cơ bốn kỳ có chu trình công tác được thực hiện sau bốn hành trình của pít
tông hay hai vòng quay của trục khuỷu.

Hình 1-9: Đồ thị mô tả các quá trình làm việc của động cơ bốn kỳ không tăng áp
a. Đồ thị công
b. Đồ thị pha

Hành trình thứ nhất: hành trình nạp( HÚT), hình 1-10
Pít tông đi từ ĐCT xuống ĐCD tạo nên độ chân không trong xy lanh. Hoà khí từ

đường nạp gọi là khí nạp mới được hút vào xy lanh qua xuppáp nạp đang mở và hoà trộn
với khí sót của chu trình trước tạo thành hỗn hợp công tác. Xuppáp nạp mở sớm một góc
là 1 tại điểm d1 trước khi pít tông đến ĐCD để tăng tiết diện lưu thông của dòng khí nạp.

Hình 1-10. Hành
trình nạp của động
cơ xăng

Hình 1-11: Hành
trình nén trong động
cơ xăng

Hình 1-12: Hành trình
cháy trong động cơ
xăng

Hình 1-13: Hành
trình xả trong động
cơ xăng

8


Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên
Hành trình thứ hai: hành trình NÉN , hình 1-11
Pít tông đi từ ĐCD lên ĐCT. Xuppáp nạp đóng muộn một góc 2 tại điểm d2 trước
ĐCT nhằm tận dụng quán tính của dòng khí nạp để nạp thêm. Hỗn hợp công tác bị nén
khi hai xuppáp cùng đóng dẫn tới tăng áp suất và nhiệt độ trong xy lanh. Tại điểm c’ gần
ĐCT tương ứng với góc s, bugi bật tia lửa điện. Góc s được gọi là góc đánh lửa sớm.
Sau một thời gian chuẩn bị rất ngắn, quá trình cháy thực sự diễn ra làm cho áp suất và

nhiệt độ trong xy lanh tăng lên rất nhanh.
Hành trình thứ ba: hành trình cháy- giãn nở (NỔ ), hình 1-12
Pít tông đi từ ĐCT xuống ĐCD. Sau ĐCT, quá trình cháy tiếp tục diễn ra nên áp
suất và nhiệt độ tiếp tục tăng, sau đó giảm do thể tích xy lanh tăng nhanh. Khí cháy giãn
nở sinh công. Gần cuối hành trình, xuppáp thải mở sớm một góc 3 tại điểm b’ để thải tự
do một lượng đáng kể sản vật cháy ra khỏi xy lanh vào đường thải.
Hành trình thứ tƣ: hành trình thải (XẢ), hình 1-13
Pít tông đi từ ĐCD lên ĐCT, sản vật cháy bị thải cưỡng bức do pít tông đẩy ra khỏi
xy lanh. Để tận dụng quán tính của dòng khí nhằm thải sạch thêm, xuppáp thải đóng
muộn sau ĐCT một góc 4 ở hành trình nạp của chu trình tiếp theo.
1.4.4. Nguyên lí làm việc của động cơ điêzen (diesel) 1 xy lanh
Nguyên lý làm việc của động cơ điêzen (diesel) 4 kỳ cũng tương tự như động cơ
xăng , gồm các kỳ HÚT-NÉN-NỔ-XẢ, nhưng có một số nét khác biệt:

Hình 1-14: Hành trình
hút trong động cơ diesel

Hình 1-15: Hành trình Hình 1-16: Hành trình
nén trong động cơ diesel cháy động cơ diesel

Hình 1-17: Hành trình
xả trong động cơ diesel

9


Khoa C khớ ng lc Trng i hc s phm k thut HngYờn
Hnh trỡnh np( HT) , hỡnh 1-14
Pớt tụng i t CT xung CD, xuppap np m, xuppap thi úng. Khụng khớ
c hỳt vo trong xy lanh qua xuppap np. Xuppap np m sm mt gúc 1 trc CT

tng lng khụng khớ np vo xy lanh.
Hnh trỡnh NN ,hỡnh 1-15
Pớt tụng i t CD lờn CT, cỏc xuppap úng kớn, khụng khớ trong xy lanh b nộn
li ti nhit v ỏp sut cao, nhit bung chỏy ng c iờzen (diesel) lỳc ny
khong 500- 8000C. Cui hnh trỡnh nộn, vũi phun phun nhiờn liu vo trong bung chỏy
ca ng .
Hnh trỡnh chỏy- gión n ( N), hỡnh 1-16
Nhiờn liu (du iờzen (diesel)) ỏp sut cao(115kg/cm2- 1900kg/cm2) phun vo
khụng khớ c nộn n ỏp sut v nhit cao trong bung chỏy nờn t bc chỏy. Quỏ
trỡnh chỏy sinh cụng y pớt tụng i xung CD. Cui hnh trỡnh chỏy, xuppap thi m
sm mt gúc 2 trc CD nhm tn dng quỏn tớnh ca dũng khớ thi mt phn khớ
chỏy ra ngoi.
Hnh trỡnh thi( X),hỡnh 1-17
Pớt tụng i t CD n CT, xuppap thi m, khớ chỏy c y ra ngoi qua
xuppap thi. Xuppap thi úng sau CT mt gúc 3 nhm mc ớch thi ht sn vt chỏy
ra ngoi
Sau khi khảo sát, ta rút ra một số nhận xét nh- sau:
- Trong bốn hành trình chỉ có một hành trình sinh công. Các hành trình còn lại đều
tiêu hao công từ động năng của các chi tiết chuyển động quay nh- bánh đà, trục khuỷu...
- Các xu páp đều có các góc mở sớm và đóng muộn nhằm thải sạch và nạp đầy. Tập
hợp các góc mở sớm đóng muộn của xu páp đ-ợc gọi là pha phối khí, hình 1-5, b. Giá trị
tối -u của pha phối khí cùng các góc phun sớm và đánh lửa sớm s rất khó xác định bằng
tính toán nên th-ờng đ-ợc lựa chọn bằng thực nghiệm.
- Trong khoảng góc 1 + 4 (cuối quá trình thải, đầu quá trình nạp), hình 1-5, b, hai
xu páp đều mở. Do đó 1 + 4 đ-ợc gọi là góc trùng điệp của xu páp.

10


Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên

*) Nguyên lí làm việc của động cơ 2 kì , hình 1-18 và 1-19
Hành trình thứ nhất:
Pít tông đi chuyển từ ĐCT đến ĐCD,
khí đã cháy và đang cháy trong xy
lanh giãn nở sinh công. Khi pít tông
mở cửa thải A, khí cháy có áp suất cao

Hình 1-18: Hoạt động của động cơ
2 kì

được thải tự do ra đường thải. Từ khi
pít tông mở cửa quét B cho đến khi
đến điểm chết dưới, khí nạp mới có áp
suất cao nạp vào xy lanh đồng thời
quét khí đã cháy ra cửa A.
Như vậy trong hành trình thứ
nhất gồm các quá trình: cháy giãn nở,
thải tự do, quét khí và nạp khí mới.
Hành trình thứ hai:
Pít tông di chuyển từ ĐCD đến
ĐCT, quá trình quét nạp vẫn tiếp tục
cho đến khi pít tông đóng cửa quét B.
Từ đó cho đến khi pít tông đóng của
thải A, môi chất trong xy lanh bị đẩy
qua cửa thải ra ngoài, vì vậy giai đoạn
này gọi là giai đoạn lọt khí. Tiếp theo

Hình 1-19: Các biểu đồ đặc trưng cho
các trang thái làm việc của động cơ 2 kì

a. Đồ thị pha ; b Đồ thị công .

là quá trình nén bắt đầu từ khi pít tông
đóng cửa thải A cho tới khi nhiên liệu
phun vào xy lanh (động cơ điêzen
(diesel)) hoặc bugi (động cơ xăng) bật
tia lửa điện. Sau một thời gian cháy trễ
rất ngắn quá trình cháy sẽ xảy ra.
Như vậy trong hành trình thứ hai
gồm có các quá trình: quét và nạp khí,
lọt khí, nén và cháy.

11


Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên
1.4.5. Nguyên lý làm việc của động cơ nhiều xy lanh, hình 1-20
Trong thực tế, động cơ một xy lanh chỉ được sử dụng trên xe máy và một số loại
máy nông nghiệp và chế biến sản phẩm nông nghiệp. Nhằm mục đích nâng cao công suất
động cơ người ta ghép các động cơ một xy lanh (động cơ đơn) lại với nhau tạo thành
động cơ nhiều xy lanh. Động cơ có từ 3 xy lanh trở lên được gọi là động cơ nhiều xy
lanh. Trong động cơ nhiều xy lanh, kích thước các chi tiết của các xy lanh như nhau nên
quá trình làm việc của các xy lanh cũng giống nhau, chỉ khác nhau về pha. Điều này phụ
thuộc vào việc bố trí vị trí tương quan giữa các xy lanh.
Việc bố trí này tuân theo những quy tắc sau:
- Đảm bảo mômen của động cơ trong một chu trình là đồng đều nhất. Theo nguyên
tắc này, ở động cơ đốt trong một hàng xy lanh, người ta bố trí sao cho góc công tác giữa
2 xy lanh làm việc liên tiếp là như nhau.
- Không để tải trọng tập trung quá nhiều vào một hoặc một số cổ trục khuỷu nào
đó để trục có sức bền đồng đều.

- Trục khuỷu phải có hình dạng động lực hợp lý.

Hình 1-20: Động cơ nhiều xylanh

Hình 1-21: Kết cấu trục khuỷu của một số động
cơ

Nguyên lí làm việc của động cơ 4 kì 4 xy lanh thẳng hàng
Với dạng trục khuỷu như hình 1-21.1 có thể bố trí góc công tác giữa hai xy lanh
liên tiếp nhau là  k  720 4  1800 , tức là cứ 1800 có một lần sinh công do đó momen của
động cơ phát ra đều. Mặt khác, trục khuỷu có dạng đối xứng nên tính cân bằng động lực
tốt, với cấu trúc trục khuỷu trên có thể có các thứ tự làm việc là 1-3-4-2 hoặc 1-2-4-3.
Ta có bảng trình tự làm việc như sau:

12


Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên
a. Trình tự làm việc 1-3-4-2
Vòng quay
trục khuỷu
1/2 vòng thứ
1
1/2 vòng thứ
tiếp theo
1/2 vòng thứ
2
1/2 vòng thứ
tiêp theo

Góc quay
trục khuỷu

Thứ tự xy lanh
1

2

3

4

0o -180o

Hút

Nén

Xả

Nổ

180o -360o

Nén

Nổ

Hút

Xả

360o -540o

Nổ

Xả

Nén

Hút

540o -720o

Xả

Hút

Nổ

Nén

Thứ tự làm việc kiểu 1-2-4-3
Vòng quay
trục khuỷu

Góc quay
trục khuỷu

Thứ tự xy lanh

1

2

3

4

1/2 vòng thứ
1

0o -180o

Hút

Xả

Nén

Nổ

1/2 vòng thứ
2

180o -360o

Nén

Hút

Nổ

Xả

1/2 vòng thứ
3

360o -540o

Nổ

Nén

Xả

Hút

1/2 vòng thứ
4

540o -720o

Xả

Nổ

Hút

Nén

1.4.6. Nguyên lý động cơ có tăng áp
Một phương pháp rất hiệu quả để tăng công suất động cơ là tăng lượng môi chất
nạp bằng cách nén môi chất trước khi nạp vào xy lanh. Phương pháp này gọi là tăng áp
cho động cơ. Khi nén, áp suất, nhiệt độ của môi chất tăng. Một số động cơ được trang bị
bộ phận làm mát khí nén trước khi nạp vào động cơ để nạp được nhiều hơn. Sau đây là
một số phương pháp tăng áp chủ yếu.
13


Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên
1.4.6.1 Tăng áp cơ khí

Với kiểu tăng áp này, máy nén 3 được
dẫn động từ trục khuỷu của động cơ. Phương
pháp này có ưu điểm là khi số vòng quay của
động cơ thay đổi đột ngột, máy nén vẫn cung
cấp cho động cơ lượng môi chất cần thiết.
Tuy nhiên, chính vì được dẫn động từ động
cơ nên lượng khí nén phụ thuộc vào tốc độ

Hình 1-22: Tăng áp cơ khí
1. Động cơ
2. Đường thải
3. Máy nén
4. Bình làm mát trung gian
5. Đường nạp 6. Môi chất trước máy nén
7. Bộ truyền cơ khí

động cơ và có nhược điểm là máy nén không
cung cấp đủ lượng khí nén phù hợp cho động

cơ khi tải trọng thay đổi.

1.4.6.2. Tăng áp kiểu tuabin- máy nén
Theo phương pháp này, khí thải của
động cơ dẫn vào tuabin 7, sinh công làm
quay máy nén 3. Tốc độ vòng quay của
tuabin máy nén có thể tới 100.000 vòng/phút.
Phương pháp này tận dụng được năng lượng
của khí thải, nhưng khi tốc độ vòng quay của
động cơ thay đổi đột ngột, do quán tính của
tuabin máy nén nên máy nén không cung cấp
Hình 1-23: Tăng áp kiểu tuabin- máy
nén
1. Động cơ
2. Đường xả
3. Máy nén
4. Két làm mát trung gian
5. Đường nạp
6. Môi chất trước máy nén
7. Tuabin

được lượng không khí cần thiết. Mặt khác, ở
chế độ tốc độ vòng quay nhỏ và tải nhỏ, công
của tuabin không đủ cho máy nén làm việc
bình thường.

14


Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên

1.4.6.3. Tăng áp hỗn hợp
Với kiểu tăng áp này, máy nén được dẫn động từ động cơ và tuabin. Phương pháp này
khắc phục nhược điểm của hai phương pháp trên. Động cơ được cung cấp khí nén phù
hợp hơn tại các chế độ tải trọng và tốc độ quay khác nhau, kể cả khi thay đổi tốc độ đột
ngột. Mặt khác, công suất dư của tuabin được sử dụng như là công có ích của cả hệ
thống.
Hình 1-24: Tăng áp hỗn hơp
1. Động cơ
2. Đường thải
3. Máy nén
4.tua bin
5. Bộ truyền cơ khí
6. Két làm mát trung gian
7. Đường nạp

Tăng áp kiểu tuabin

15


Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên
1.5. Nguyên lý làm việc của động cơ pít tông quay (động cơ Walken)
Trục cơ quay theo chiều kim đồng hồ làm bánh
răng quay, bánh răng quay dẫn động pít tông
(rôto) quay làm thay đổi thể tích các khoang
AC, BC, AB.
Trên hình 1-25, pít tông quay theo chiều kim
đồng hồ, không gian AC có thể tích tăng dần
và thông với cửa nạp nên tại đây quá trình nạp
diễn ra. Khí nạp được hút vào xy lanh qua cửa

nạp 7. Khi điểm A đi qua cửa nạp thì quá trình
nạp kết thúc. Pít tông tiếp tục quay, không gian

Hình 1-25: Sơ đồ cấu trúc động cơ
Valken
1. Rô to (piston quay) 2. Trục cơ
3. Vành răng rô to
4. Bánh răng trục
cơ
5. Xilanh
6. Buồng nạp
7. Cửa nạp
8. Bugi
9. Cửa thải

AC giảm thể tích và thực hiện quá trình nén.
Khi môi chất bị nén tới áp suất cao (khoang
BC) bugi bật tia lửa điện đốt cháy nhiên liệu
(động cơ xăng) hoặc vòi phun phun nhiên liệu
(động cơ điêzen (diesel)). Sau một thời gian
cháy trễ, quá trình cháy thực sự diễn ra. Áp
suất trong khoang tăng lên tác dụng lên bề mặt
pít tông (mặt BC) làm pít tông quay, qua vành
răng và bánh răng làm quay trục cơ.
Khi khoang BC diễn ra quá trình cháy- giãn nở
thì khoang AC diễn ra quá trình nạp và khoang
AB diễn ra quá trình thải. Quá trình thải bắt
đầu khi đỉnh A mở cửa thải 9.

Khi rô to thực hiện 1 chu trình tương ứng với 3 vòng quay của trục cơ, cả 3 không

gian đều thực hiện 1 chu trình làm việc gồm 4 quá trình: Hút- nén- cháy, giãn nở- thải
tương đương với động cơ pít tông thường 4 kì, 3 xy lanh.
-Rôto quay nên cân bằng dễ dàng. Vì thế, tốc độ động cơ cao hơn động cơ pít tông
thường.
- Vì không dùng xuppáp nên chất lượng nạp- thải tốt hơn do tiết diện lưu thông lớn.
- Gọn và công suất cao.
Nhược điểm chủ yếu của động cơ Walken so với động cơ pít tông thường là các chi
tiết bao kín dạng thanh ở các đỉnh của rôto và bề mặt xy lanh mòn rất nhanh do vận tốc lớn
và khó bôi trơn. Vì vậy tuổi thọ động cơ thấp.

16


Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên
CHƢƠNG II: CHU TRÌNH CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
2.1. Chu trình lý tƣởng
2.1.1. Khái niệm chu trình lý tưởng
Chu trình thực tế của động cơ bao gồm các quá trình lý hoá rất phức tạp và chịu
ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau. Về thực chất, chu trình thực tế của động cơ là
chu trình hở, không thuận nghịch và không thể tính toán hoàn toàn chính xác được.
Chu trình thực tế được đơn giản hoá bằng một số giả thiết nhằm những mục đích cụ
thể được gọi là chu trình lý tưởng.
Những đặc điểm của chu trình lý tưởng
- Lượng môi chất không thay đổi tức là không có quá trình thay đổi khí.
- Nhiệt lượng cấp cho chu trình từ bên ngoài, như vậy không có quá trình cháy
và toả nhiệt của nhiên liệu cũng như tổn thất cho các quá trình này. Đồng thời, thành
phần môi chất cũng không đổi.
- Quá trình nén và giãn nở là đoạn nhiệt và không có tổn thất nhiệt do lọt khí.
- Tỷ nhiệt của môi chất trong suốt chu trình không đổi và không phụ thuộc vào
nhiệt độ.

2.1.2. Các loại chu trình lí tưởng
2.1.2.1. Chu trình hỗn hợp
Trước hết, ta gọi:


Va
là tỷ số nén
Vc



py



Vz
là tỷ số giãn nở sớm
Vc



Vb
là tỷ số giãn nở sau
Vz

pc



pz

là tỷ số tăng áp suất
pc

dễ dàng suy ra:
  .

17


Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên
Với những đại lượng này, sau đây ta sẽ xác định các thông số cơ bản của chu
trình.
p

T

Q1p
y
Q1v

z

c

Q=

Lt

y

0
c

b

Q=

z
t
p=c Q=0

Q2

v=

ct

b

Q=0

0
a

a

v=

ct

V

S

Hình 2-1. Chu trình hỗn hợp trên đồ thị p-V và T-S

+) Hiệu suất nhiệt t,h
t  1 

Q2
Q1

t , h  1 

1
k  1

 k  1
  1  k(  1)

+) Áp suất trung bình pt,h
pt,h 

Lt,h
Vh

pt,h 

pa  k
  1  k(  1)t , h

(  1)(k  1)

2.1.2.2. Chu trình đẳng tích
p
Như
z
đã nói ở
trên,
chu
Q1
trình đẳng
Q=
0
tích là một
trường hợp
c
L
riêng của
Q=
chu
trình
0
hỗn hợp có
 = 1.

T

z

v=

ct

Q=0

c

b
Q2

a

a

b

Q=0

v=

V

ct

S

Hình 2-2. Chu trình đẳng tích trên đồ thị p-V và T-S
18

Khoa C khớ ng lc Trng i hc s phm k thut HngYờn
t , v 1

pt,v

1


k 1

1
k t , v pa
( 1)(k 1)

Phõn tớch c im ca chu trỡnh cp nhit ng tớch v ng ỏp.
+) Chu trình đẳng tích
- t,v
Ta thấy t,v chỉ phụ thuộc chỉ số đoạn nhiệt k của môi chất công tác và tỷ số nén
của động cơ.
Rõ ràng là, khi tăng k thì t,v tăng. Tuy nhiên, k là một thông số vật lý của môi
chất phụ thuộc vào số nguyên tử chứa trong một phân tử. Đối với khí 1 nguyên tử, k =
1,6; khí 2 nguyên tử (có thể coi không khí gần đúng là khí 2 nguyên tử) k = 1,41 và
khí 3 nguyên tử có k = 1,3.
Khi tăng thì t,v tăng. Vì vậy, một trong những ph-ơng h-ớng chủ yếu để
tăng hiệu suất của động cơ khi thiết kế là sử dụng các biện pháp sao cho có thể có tỷ
số nén cao. Tốc độ tăng t,v giảm dần khi tăng . Mặt khác cần l-u ý rằng, càng tăng
động cơ càng dễ bị kích nổ, do đó bị giới hạn.
Cần phải l-u ý rằng, t,v chỉ phụ thuộc vào và k mà không phụ thuộc vào l-ợng
nhiệt cấp cho chu trình Q1.
- pt,v

pt,v phụ thuộc vào , k và pa, trong đó ảnh h-ởng của và pa là rõ nét và có ý
nghĩa thực tế hơn cả.
pt,v tăng tỷ lệ với pa. Vì vậy trong thực tế cần áp dụng các biện pháp để tăng áp
suất quá trình nạp để nạp đ-ợc nhiều khí nạp mới, do đó đốt đ-ợc nhiều nhiên liệu dẫn
tới tăng áp suất trung bình và tăng công suất động cơ.
Khi tăng ,

k
tăng do k > 1, do đó pt,v tăng. Ngoài ra, pt,v còn tăng là do t,v
1

nh- đã xét ở trên. Rõ ràng là tỷ số nén là một thông số ảnh h-ởng rất quan trọng của
động cơ.
Ngoài ra, khác với t,v, khi tăng l-ợng nhiệt cấp cho chu trình Q1 sẽ làm cho pt,v
tăng và do đó tăng mô men và công suất động cơ.
+) Chu trình hỗn hợp
- t,h
tăng thì t , h tăng.
Đối với và thì ta phải xét ảnh h-ởng tổng hợp.

19


Khoa C khớ ng lc Trng i hc s phm k thut HngYờn
khi tăng thì k giảm, thì t,h tăng.
Từ đây ta có thể rút ra ý nghĩa thực tế sau. Khi Q1 = const, tăng (tức giảm,
Q1V tăng và Q1p giảm) hiệu suất nhiệt của chu trình hỗn hợp tăng. Từ đó suy ra, t,h đạt
max khi = 1 (chu trình đẳng tích). Nói cách khác, hiệu suất của chu trình đẳng tích
cao hơn của chu trình hỗn hợp nếu nh- cùng Q1, , k, Ta, m, CV.
pt,h

- pa, tăng sẽ làm cho pt,h tăng.
- tăng nếu Q1 = const thì giảm và t,h tăng nh- đã xét xét ở trên. Tuy nhiên,
t,h tăng chậm. Mặt khác, tăng sẽ làm tăng áp suất cực đại pz tác dụng lên cơ cấu
trục khuỷu thanh truyền.
+) So sánh hiệu suất chu trình hỗn hợp và đẳng tích
Để so sánh các chu trình hỗn hợp và đẳng tích đã xét ở trên một cách thuận tiện,
ta sử dụng đồ thị T-S, cụ thể cho hai tr-ờng hợp sau.
- Cùng Q1 và
Từ đồ thị trên hình 2-6 ta thấy

T

zv
zh

y

t
ons = const
c
p
v=
bv
c
st
con
=
v
a

A

B

bh

C S

Hình 2-6. So sánh các chu trình khi cùng Q1 và

Do cùng Q1 nên diện tích của các hình giới hạn bởi các đ-ờng gia nhiệt và trục
hoành S(AaczVbB) = S(A,acyzhbhC).
L-ợng nhiệt thải cho nguồn lạnh Q2 của mỗi chu trình t-ơng ứng với các diện
tích của đ-ờng thải nhiệt và trục hoành.
Q2,h S(abhCA) S(abBA) Q2V
Do đó:
t,h t,V

20


Khoa C khớ ng lc Trng i hc s phm k thut HngYờn
- Cùng Q1 và pz
Cùng pz có thể coi là cùng điều kiện về tải trọng tác dụng lên cơ cấu trục khuỷu
thanh truyền. T-ơng tự nh- trên, qua đồ thị T-S (hình 2-7), ta có:
Q2,h S(AabhC) S(A,abVB) Q2,V
Do đó:
t,h t,V
Điều này hoàn toàn phù hợp với thực tế. Do động có diesel có tỷ số nén cao hơn
nên đạt hiệu suất cao hơn so với động cơ xăng.

T

zh

t
p = cons
t
s
con
y
v=
ch
st
con
=
v
bv
t
s
con
=
v

zv

bh

a
A

C

B

S

Hình 2-7. So sánh các chu trình khi cùng Q1 và pz

21


Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên
2.2. Chu trình thực tế của động cơ đốt trong
Khác với chu trình lý tưởng, chu trình thực tế của động cơ đốt trong cũng giống
như mọi chu trình thực tế của các máy công tác khác là chu trình hở, không thuận
nghịch. Cụ thể, chu trình thực tế có quá trình trao đổi khí và do đó có tổn thất khí nạp
thải; các quá trình nén và giãn nở không phải đoạn nhiệt mà có tổn thất nhiệt cho môi
trường xung quanh; quá trình cháy có tổn thất như cháy không hết, phân giải sản vật
cháy...Ngoài ra, môi chất công tác thay đổi trong một chu trình nên tỷ nhiệt của môi
chất cũng thay đổi.
Nghiên cứu chu trình thực tế nhằm những mục đích sau:
 Tìm qui luật diễn biến của các quá trình tạo nên chu trình thực tế và xác định
những nhân tố ảnh hưởng. Qua đó tìm ra phương
hướng nâng cao tính kinh tế và hiệu quả của chu trình.
 Xác lập những phương trình tính toán các thông
số của động cơ khi thiết kế và kiểm nghiệm động cơ.
2.2.1. Quá trình nạp
2.2.1.1. Diễn biến quá trình nạp
- Quá trình nạp được tiến hành chủ yếu do pít

tông chuyển động từ điểm chết trên đến điểm chết
dưới tạo ra sự chênh lệch áp suất, do đó môi chất được
hút vào xy lanh.
-Trong thực tế, quá trình nạp bắt đầu tại điểm d1,
tương ứng với vị trí góc  1 trước ĐCT, xuppap nạp
mở. Góc  1 gọi là góc mở sớm của xuppap nạp.
Từ thời điểm áp suất trong xy lanh bằng áp suất
trên đường ống nạp pk trở đi, khí nạp mới thực sự đi
vào trong xy lanh, cho đến khi pít tông tới ĐCD tại
điểm a.
Tận dụng quán tính của dòng khí nạp để nạp
thêm, xupáp nạp chưa đóng tại ĐCD mà đóng sau đó 1

p

b
'

pt
hr

d1
r
'

Vc
ĐCT

d2
Vh

b
p"t pk
phk
a
V
ĐCD

Hình 2-3. Diễn biến quá trình
nạp

góc  2 tại điểm d2. Góc  2 gọi là góc đóng muộn của xupáp nạp.
Áp suất trong xy lanh phụ thuộc vào tốc độ v của pít tông, có giá trị nhỏ nhất tại
vmax. Tại điểm ĐCD, ta có thể viết:
pa = pk - pk
22


Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên
Đối với động cơ không tăng áp, có thể coi gần đúng pk  p0 và Tk  T0.
Từ phân tích diễn biến quá trình nạp trong các động cơ khác nhau ta có thể rút ra
một vài nhận xét sau:
- Khí nạp mới đi vào trong xy lanh phải khắc phục sức cản lưu động nên có tổn
thất áp suất pk.
- Trong tất cả các loại động cơ nêu trên không thể quét hết sản vật cháy ra khỏi
xy lanh. Nói cách khác, trong xy lanh vẫn còn một lượng khí sót hoà trộn với khí nạp
mới.
- Khí nạp mới đi vào xy lanh tiếp xúc với các chi tiết trong buồng cháy và hoà
trộn với khí sót có nhiệt độ cao nên được sấy nóng.
-Tất cả những điều đó làm cho lượng khí nạp mới trong xy lanh khi kết thúc quá

trình nạp thông thường khác so với lượng khí nạp mới lý thuyết có thể chứa trong thể
tích xy lanh Vh qui về điều kiện ở đường nạp với nhiệt độ Tk và áp suất pk. Vì vậy, để
đánh giá chất lượng quá trình nạp, người ta đưa ra thông số hệ số nạp v được định
nghĩa như sau:
v 

G1
M
V
 1  1
Gh M h Vh

G1 (kg/kgnl) và M1(kmol/kgnl) là lượng khí nạp mới thực tế trong xy lanh khi
kết thúc quá trình nạp và V1 là thể tích của lượng khí nạp mới đó qui về điều kiện
nhiệt độ Tk và áp suất pk.
Gh (kg/kgnl) và Mh(kmol/kgnl) là lượng khí nạp mới lý thuyết chứa trong thể
tích Vh trong điều kiện nhiệt độ Tk và áp suất pk.
Với:

G h  k Vh

Hệ số nạp là một thông số đặc trưng cho chất lượng quá trình nạp, thông thường
nhỏ hơn 1 và sẽ được khảo sát kĩ lưỡng ở các phần sau.

23


Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên
2.2.1.2. Các thông số cơ bản và những nhân tố ảnh hưởng đến hệ số nạp.
* Các thông số cơ bản

a. Áp suất cuối quá trình nạp pa
Áp suất cuối quá trình nạp pa là một thông số quan trọng để đánh giá chất lượng
quá trình nạp. Nếu pa càng lớn thì lượng khí nạp mới càng nhiều và ngược lại.

n2
pa  p k  p k  p k  k n 2
fn
Trong thực tế, muốn tăng pa ta áp dụng những biện pháp sau:
 Thiết kế đường nạp có hình dạng, kích thước hợp lý và bề mặt ống nạp phải
nhẵn để giảm sức cản khí động.
 Chọn tỷ số

Fn
thích hợp.
Fp

 Tăng Fn bằng cách tăng đường kính xupáp với những biện pháp sau: giảm S/D
tức tăng D và giảm S; tăng số xupáp nạp nhằm tận dụng tối đa diện tích bố trí xupáp;
bố trí xupáp nghiêng so với đường tâm xy lanh trong buồng cháy chỏm cầu.
b. Hệ số khí sót r
Hệ số khí sót r đã được định nghĩa bởi công thức:

r 

Mr
M1

 r  q

Tk  T p r

. .
Tr
pa

1
 pr
 pa

 nt  t q 





1
m

+) Những thông số ảnh hưởng đến r
 Áp suất pr
Khi tăng pr thì r sẽ tăng. Nếu như thải vào tuabin hay bộ xử lý khí thải thì p r sẽ
tăng so với trường hợp chỉ thải vào bình tiêu âm.
Đối với quá trình thải ta cũng có thể xét tương tự như quá trình nạp

pr  pth  pr  pth  kth

n2
fth2

Trong đó kth hệ số phụ thuộc chủ yếu vào các thông số kết cấu đường thải và fth
là tiết diện thông qua của xuppap thải.

24