Động cơ đốt trong

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 tuốc bin khí và các động cơ đốt bên ngoài xy lanh, thí dụ như máy hơi nước hay động cơ Stirling không thuộc về động cơ đốt trong.


Nguyên tắc hoạt động cơ bản

Hỗn hợp không khí và nhiên liệu được đốt trong xy lanh 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 pít tông đẩy pít tông này di chuyển đi.

Có nhiều loại động cơ đốt trong khác nhau, một phần sử dụng các chu kỳ tuần hoàn khác nhau. Tuy vậy tất cả các động cơ đốt trong đều lặp lại trong một chu trình tuần hoàn chu kỳ làm việc bao gồm 4 bước: Nạp, nén, nổ (đốt) và xả. Xả và nạp là hai bước dùng để thay khí thải bằng khí mới. 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 năng lượng cơ (động năng trong chuyển động quay).


Phân loại động cơ đốt trong


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, thí 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, thí dụ như động cơ có dung tích nhỏ với pít tông 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

Động cơ Otto
Động cơ diesel
Theo cách thức hoạt động

Động cơ 4 kì
Động cơ 2 kì
Theo cách chuyển động của pít tông

Động cơ pít tông đẩy (hay kết hợp với tay biên và trục khuỷu)
Động cơ Wankel (Động cơ pít tông tròn)
Động cơ pít tông quay
Động cơ pít tông tự do
Theo cách tạo hỗn hợp không khí và nhiên liệu

Tạo hỗn hợp bên ngoài: Nhiên liệu và không khí được hòa vào nhau ở ngoài xy lanh, sau đó được đưa vào xy lanh và nén lại. Đại diện đặc trưng cho loại này là động cơ Otto có bộ chế hòa khí hay động cơ hai thì. 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 xy lanh, 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 liêu nhiệu 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

Hỗn hợp khí được đốt bằng bộ phận đánh lửa (bugi) trong các động cơ Otto, tốt nhất là ngay trước điểm chết trên.
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

Làm mát bằng nước
Làm mát bằng không khí
Làm mát bằng dầu nhớt (động cơ Elsbett)
Kết hợp giữa làm mát bằng không khí và dầu nhớt.
Theo hình dáng động cơ và số xy lanh: Tùy theo số lượng xy lanh động cơ Otto và động cơ diesel có thể được chế tạo thành:

Động cơ 1 xy lanh
Động cơ thẳng hàng (2, 3, 4, 5, 6 hay 8 xy lanh)
Động cơ chữ V (2, 4, 5, 6, 8, 10, 12 hay 16 xy lanh)
Động cơ VR (6 hay 8 xy lanh)
Động cơ chữ W (3, 8, 12 hay 16 xy lanh)
Động cơ boxer (2, 4, 6 hay 12 xy lanh)
Động cơ tỏa tròn (tiếng Anh: radial engine) (5, 6, 7, 8, 9 hay 12 xy lanh)
Động cơ pít tông đối (tiếng Anh: opposed piston engine)
Các thì trong một động cơ pít tông đẩy 4 thì

Trong thì thứ nhất (nạp – van nạp mở, van xả đóng) hỗn hợp không khí và nhiên liệu được “nạp” vào xy lanh trong lúc pít tông chuyển động đi xuống.
Trong thì thứ hai (nén – hai van đều đóng) pít tông nén hỗn hợp khí trong xy lanh khi chuyển động đi lên. Ở cuối thì thứ hai (pít tông ở tại điểm chết trên) hỗn hợp khí được đốt, trong động cơ xăng bằng bộ phận đánh lửa, trong động cơ diesel bằng cách tự bốc cháy.
Trong thì thứ ba (tạo công – các van vẫn tiếp tục được đóng) hỗn hợp khí được đốt cháy. Vì nhiệt độ tăng dẫn đến áp suất của hỗn hợp khí tăng và làm cho pít tông chuyển động đi xuống. Chuyển động tịnh tiến của pít tông được chuyển bằng tay biên đến trục khuỷu và được biến đổi thành chuyển động quay.
Trong thì thứ tư (xả - van nạp đóng, van xả mở) pít tông chuyển động đi lên đẩy khí từ trong xy lanh qua ống xả thải ra môi trường.
Chuyển động của pít tông ở thì thứ nhất, hai và bốn là nhờ vào năng lượng được tích trữ bởi bánh đà gắn ở trục khuỷu trong thì thứ ba (thì tạo công). Một động cơ bốn thì 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 xy lanh 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 (máy cưa, động cơ của ca nô), cần khởi động (mô tô), tay quay khởi động ở các ô tô cổ hay một động cơ điện nhỏ trong các mô tô và ô 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 xy lanh 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 thì xả sang thì nạp. Khí thải thoát ra với vận tốc cao sẽ hút khí mới vào buồng đốt nhằm nạp khí mới vào xy lanh tốt hơn và tăng áp suất đốt.

So sánh Động cơ 4 thì và 2 thì

Phương pháp 4 thì: Mỗi một giai đoạn hoạt động diễn ra trong một thì. Một thì ở đây là một lần đẩy của pít tông, tức là một lần chuyển động lên hay xuống của pít tông. Trong một chu kỳ hoạt động 4 thì, trục khuỷu quay 2 lần. Việc thay đổi khí được đóng kín có nghĩa là hỗn hợp khí 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 thì: Trong phương pháp hai thì cả bốn giai đoạn đều hoạt động nhưng chỉ trong 2 lần chuyển động của pít tông (2 thì) vì một phần của hai giai đoạn nạp và nén được tiến hành ra bên ngoài xy lanh. Trục khuỷu chỉ quay một vòng trong một chu kỳ làm việc. Thay đổi khí mở tức là hai hỗn hợp khí mới và khí thải bị trộn lẫn với nhau một phần.
Động cơ 2 thì có mật độ năng lượng lớn hơn vì tạo ra công trong mỗi một vòng quay của trục khuỷu. Các động cơ 2 thì có thể được chế tạo đơn giản và rẻ tiền hơn vì ngược với động cơ 4 thì, loại động cơ này không cần có bộ phận điều khiển van. Dùng động cơ 2 thì 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 được có thể được khắc phục nhờ bộ phận phun nhiên liệu trực tiếp (thí dụ như ở động cơ diesel). Các động cơ 2 thì không có được công suất như động cơ 4 thì ngày nay vì khác với động cơ 4 thì chúng đã không được tiếp tục cải tiến nữa và đã bị động cơ 4 thì đẩy lùi do tốn nhiên liệu hơn và vì có khí thải xấu hơn.


Ứng dụng

Động cơ 2 thì 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 thủy.

line-ice, kpi (MES Lab., theo wikipedia tiếng Việt)

Chịu khó nghiên cứu, tìm tòi tài liệu như thế là rất tốt, nhưng chắc em chưa học môn động cơ đốt trong. Nội dung bài viết thuộc về kiến thức cơ bản động cơ đốt trong (sẽ được giới thiệu trong chương trình môn học), tuy nhiên trong bài viết còn nhiều chỗ chưa chính xác cả về thuật ngữ cũng như tính chuyên môn, và nên dùng để tham khảo cho những người không thuộc chuyên ngành máy.
Trước hết, động cơ đốt trong (ĐCĐT) là loại động cơ nhiệt kiểu piston, trong đó năng lượng nhiệt sinh ra do hỗn hợp không khí và nhiên liệu cháy trong buồng đốt động cơ được biến đổi thành công nhờ piston chuyển động qua lại, và thông qua cơ cấu khuỷu trục-thanh truyền làm quay trục khuỷu.
Về cách phân loại thì có nhiều căn cứ để phân loại ĐCDT, tuy nhiên theo các tài liệu về ĐCĐT thì có thể phân loại chúng theo các căn cứ sau:
1. Theo nguyên lý làm việc;
2. Theo loại nhiên liệu sử dụng;
3. Theo kiểu kết cấu buồng đốt;
4. Theo đặc điểm chu trình công tác;
5. Theo phương pháp nạp không khí;
6. Theo số xi lanh của động cơ;
7. Theo sự bố trí xi lanh;
8. Theo khả năng đảo chiều động cơ;
9. Theo tốc độ quay của trục khuỷu;
10. Theo liên kết giữa piston và thanh truyền;
11. Theo chiều dài hành trình piston.
Một vài khái niệm cơ bản:
- Quá trình công tác: Là toàn bộ những biến đổi xảy ra đối với môi chất công tác bên trong xi lanh động cơ cũng như ở các hệ thống nạp, xả. Quá trình công tác gồm nhiều phần riêng rẽ, kế tiếp nhau theo một trật tự nhất định và được lặp lại theo chu kỳ;
- Chu trình công tác: Là tập hợp tất cả các quá trình xảy ra trong xi lanh động cơ trong một chu kỳ;
- Điểm chết của piston (ĐCT, ĐCD): là vị trí của piston trong xi lanh, tại đó piston đổi chiều chuyển động.
- Kỳ: Là một phần của chu trình công tác xảy ra trong thời gian khi piston dịch chuyển giữa 2 điểm chết;
- Hành trình piston: Là khoảng cách dịch chuyển của piston giựa 2 điểm chết;
- Động cơ 4 kỳ: Để thực hiện 1 chu trình công tác cần 4 hành trình của piston (tương ứng với 2 vòng quay của trục khuỷu);
- Động cơ 2 kỳ: Để thực hiện 1 chu trình công tác cần 2 hành trình piston (tương ứng 1 vòng quay trục khuỷu); ...
Nguyên lý làm việc:
Dù là động cơ 4 kỳ hay 2 kỳ thì một chu trình công tác của động cơ cũng phải trải qua 4 quá trình Nạp, Nén, Nổ (cháy-giãn nở) và Xả, chỉ khác là ở động cơ 4 kỳ thì các quá trình này diến ra trong 4 hành trình riêng biệt của piston (về cơ bản như bài viết đã mô tả), còn ở động cơ 2 kỳ thì chỉ xảy ra trong 2 hành trình của piston (ở hành trình thứ nhất khi piston đi lên xảy ra các quá trình quét khí, nạp và nén; còn ở hành trình thứ hai khi piston đi xuống xảy ra các quá trình cháy-giãn nở và xả tự do).
Trong phần so sánh động cơ 4 kỳ và 2 kỳ không nên dùng khái niệm "mật độ năng lượng" vì sẽ khó hình dung, nên nói:"động cơ 2 kỳ có mô men quay đều hơn so với động cơ 4 kỳ". Có thể đưa ra một số đặc điểm khác nữa để so sánh giữa động cơ 4 kỳ và 2 kỳ (sẽ giới thiệu vào dịp khác).
Ngày nay, cả động cơ diesel 4 kỳ và 2 kỳ đều được sử dụng rỗng rãi trên các tàu biển, tuy nhiên trên các tàu siêu trọng, công suất động cơ chính lớn, người ta thường ưu tiên sử dụng động cơ diesel 2 kỳ, bởi vì nếu so sánh giữa động cơ 2 kỳ và 4 kỳ có cùng kích thước cơ bản như đường kính xi lanh, hành trình piston, vòng quay trục khuỷu thì động cơ 2 kỳ có công suất lớn gấp 1.6~1.8 lần công suất động cơ 4 kỳ. Các hãng chế tạo động cơ nổi tiếng như Wartsila, Man-B&W... đang ngày càng cải tiến để đưa ra những mẫu sản phẩm động cơ diesel 2 kỳ có công suất lớn, suất tiêu hao nhiên liệu thấp, ít gây ô nhiễm môi trường, một trong số đó là động cơ SULZER RT-FLEX của hãng Wartsila - Động cơ diesel tàu biển thế hệ mới.