Động cơ đốt trong là một trong những động cơ nhiệt được sử dụng ngày càng nhiều trong sản xuất. Vậy nguồn gốc, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ nhiệt như thế nào? Hãy cùng chúng tôi tìm hiểu thông tin về loại động cơ nhiệt này qua bài viết dưới đây.
Động cơ đốt trong là gì?
Động cơ đốt trong, ICE (internal combustion engine) hay động cơ nhiệt là tên gọi của một nhóm động cơ nhiệt. Các động cơ này giúp chuyển hóa nhiệt năng thành động năng thông qua quá trình đốt cháy nhiên liệu bên trong buồng đốt (xi lanh), cung cấp hoạt động của các phương tiện và máy móc.
Ngoài ra, áp suất cao bên trong quá trình đốt cháy kết hợp với sự giãn nở của không khí ở nhiệt độ cao sẽ có thể ảnh hưởng trực tiếp đến một số bộ phận của hệ thống động cơ như piston, cánh quạt, vòi phun, cánh tuabin, .. Những lực này sẽ giúp các vật này di chuyển được một quãng đường nhất định và góp phần chuyển hóa thành công trọng lượng hóa học.
Nguồn gốc, lịch sử hình thành động cơ đốt trong
Sự ra đời của động cơ nhiệt đã tạo ra một cuộc cách mạng công nghiệp và quân sự. Thiết bị góp phần thay đổi hoàn toàn cách thức vận hành của thế giới trong quá trình sản xuất, lao động và vận động của con người.
Động cơ nhiệt được hình thành từ lâu đời, trải qua thời gian dài phát triển, động cơ đốt trong đã dần trở nên hiện đại hơn để đáp ứng được các yêu cầu của người dùng. Lịch sử hình thành và quá trình phát triển của động cơ qua các giai đoạn cụ thể sau:
Lịch sử hình thành
Năm 1860 được xem là năm đầu tiên động cơ nhiệt xuất hiện trên thế giới. Đến năm 1877, một kỹ sư người Đức có tên Đức Nicôla Aogut Otto đã phối hợp với một kỹ sư người Pháp Lang Ghen đề xuất nguyên lý động cơ 4 kỳ và thử nghiệm động cơ nhiệt chạy bằng khí than.
Năm 1885, động cơ xăng đầu tiên được chế tạo thành công bởi Golip Delle (Đức). Và cũng vào năm 1885, kỹ sư cơ khí Karl BenZ (Đức) đã thiết kế và chế tạo thành công chiếc ô tô chạy bằng thiết bị đốt trong. Năm 1897, một kỹ sư người Đức Rudolph Saclo Sredieng Diesel đã chế tạo thành công động cơ đốt trong công suất lên đến 20 mã lực, chạy bằng nhiên liệu nặng.
Hiện nay, thế giới trải qua quá trình phát triển cùng với nhiều cuộc cách mạng công nghiệp. Các thiết bị đốt trong ngày càng trở nên hiện đại và được ứng dụng ngày càng nhiều trong nhiều ngành công nghiệp và đời sống.
Kết quả
Ngành công nghiệp sản xuất động cơ đốt trong đang phát triển rất mạnh mẽ. Hiện sản lượng hàng năm ước tính đạt được 40 triệu chiếc với dải công suất từ 0,1 Kw đến khoảng 70.000 Kw. Các sản phẩm này phục vụ cho các ngành kinh tế như giao thông, xây dựng, nông, lâm nghiệp, năng lượng và đồ gia dụng.
Cho đến nay, động cơ đã được sử dụng quá phổ biến và vẫn chiếm tỷ trọng rất lớn trong tổng năng lượng sử dụng cho các thiết bị kỹ thuật trên toàn thế giới.
Phân loại động cơ đốt trong
Động cơ đốt trong có rất nhiều loại, nhưng tùy theo loại nhiên liệu mà động cơ nhiệt sử dụng hoặc có cấu tạo, bộ truyền động khác nhau, … Các động cơ được phân loại theo các loại sau:
- Phân loại theo nhiên liệu: động cơ diesel, động cơ xăng và động cơ khí .
- Phân loại theo cách đốt cháy nhiên liệu trong buồng đốt: cháy cưỡng bức bằng tia lửa điện như ở động cơ xăng, động cơ khí và tự bốc cháy như động cơ điêzen.
- Phân loại theo số lượng xi lanh: động cơ xi lanh đơn và động cơ nhiều xi lanh.
- Phân loại theo cách bố trí xilanh đối với động cơ nhiều xilanh: động cơ xylanh đơn, hình chữ V (hình 2a) hoặc động cơ hình sao (thùng 2b). Động cơ hình sao được sử dụng phổ biến trong máy bay.
- Phân loại theo kiểu chuyển động của piston: Động cơ piston chuyển động hay gọi đơn giản là động cơ piston và động cơ piston quay hay còn gọi là động cơ roto như động cơ Wankel.
- Phân loại theo điều kiện nạp: động cơ có tăng áp và động cơ không tăng áp.
- Phân loại theo số lần hành trình của piston trong một chu kỳ: động cơ hai kỳ và bốn kỳ
- Phân loại theo phương pháp làm mát: động cơ làm mát bằng nước và động cơ làm mát bằng gió.
- Phân loại theo tốc độ của piston: động cơ tốc độ thấp, tốc độ trung bình và tốc độ cao.
Nguyên lý hoạt động của loại động cơ đốt trong
Nguyên lý hoạt động chung của động cơ nhiệt là quá trình đốt cháy nhiên liệu bên trong buồng đốt. Nhờ nhiệt độ cao, khí bên trong buồng đốt của động cơ sẽ giãn nở mạnh tạo ra áp suất cực lớn đẩy piston về phía trước sinh ra động năng. Khi đó trục khuỷu, thanh truyền và các phần tử bánh răng biến chuyển động tịnh tiến thành chuyển động quay.
Hiện nay, loại động cơ phổ biến nhất hiện nay là động cơ 4 kỳ. Gọi là 4 kỳ vì chu trình làm việc của động cơ này tuân theo nguyên tắc tuần hoàn gồm 4 bước: nạp, nén, nổ và xả. Vào đầu một chu kỳ, nhiên liệu được đưa vào buồng đốt, sau đó được kẹp ở áp suất cao và đánh lửa bằng áp suất hoặc bugi. Cuối cùng giải phóng khí hình thành từ phản ứng cháy để tạo ra khoảng trống để bắt đầu một chu kỳ mới.
Hiện nay, hầu hết các mẫu động cơ đốt trong đều hoạt động theo chu trình với các chu trình làm việc: nạp, nén, nổ và xả.
Nguyên lý hoạt động của động cơ đốt trong 4 chiều
Nguyên lý hoạt động của động cơ nhiệt gồm khí thải và khí nạp được dùng để bổ sung khí mới. Quá trình nén và nổ sẽ có nhiệm vụ đốt cháy hỗn hợp khí và nhiên liệu để tạo ra công
Nạp
Nhờ bộ phận truyền động của trục khuỷu, piston bắt đầu chuyển động từ TDC sang TDC. Lúc đó van nạp cũng sẽ được mở và đồng thời van xả cũng đóng lại, điều này làm cho thể tích bên trong động cơ tăng dần và áp suất giảm. Chuyển động bên trong xi lanh là do chênh lệch áp suất giữa bên trong và bên ngoài buồng đốt.
Nén của động cơ đốt trong
Ở giai đoạn này, cả hai synap đều đóng lại, khi đó piston sẽ đi từ BD đến BW làm cho thể tích bên trong giảm xuống, khi đó nhiệt độ và áp suất sẽ tăng dần. Phần chế hòa khí sẽ được tạo ra khi hệ thống kim phun phun một lượng dầu diesel để hòa trộn với không khí nóng có trong buồng đốt.
Giãn nở ( nổ)
Piston sẽ tiếp tục chuyển động từ TDC đến BDC và ở giai đoạn này hai synap vẫn đóng. Khi đó, bên trong xilanh áp suất và nhiệt độ đã tăng lên, kết hợp với nhiên liệu khí bị đốt cháy đẩy piston đi xuống và qua thanh truyền, từ đó làm cho trục khuỷu quay và làm việc.
Xả
Nhờ sự truyền động của trục khuỷu, piston sẻ đi từ TDC đến TDC, van nạp khi đó đóng lại và van xả mở, thể tích bên trong xilanh sẽ giảm và tăng áp suất.
Đây là 4 giai đoạn chính trong nguyên lý hoạt động của động cơ đốt trong, các thiết bị này có tính chất tuần hoàn và lặp đi lặp lại.
Cấu tạo hình thành nên động cơ nhiệt là gì?
Tuy được phân thành nhiều loại động cơ nhiệt nhưng cấu tạo cơ bản của động cơ này là giống nhau, gồm 2 cơ cấu và 4 hệ thống sau:
2 Cơ cấu
Cấu tạo trục khuỷu thanh truyền động cơ đốt trong gồm 3 phần: piston, thanh truyền và trục khuỷu. Mỗi phần sẽ phải thực hiện các nhiệm vụ khác nhau:
- Piston: đóng vai trò quan trọng trong trục khuỷu thanh truyền. Piston + xi lanh và nắp động cơ sẽ tạo thành không gian làm việc. Piston sẽ nhận lực đẩy của khí cháy sau đó truyền lực cho trục khuỷu để sinh công và cùng lúc đó cũng nhận lực từ trục khuỷu để thực hiện các quá trình khác như nạp, nén, nổ và xả.
- Thanh nối: hay còn gọi là tay gạt phụ. Đây là chi tiết làm nhiệm vụ truyền lực giữa piston và trục khuỷu.
- Trục khuỷu: bộ phận nhận lực từ thanh truyền để tạo mô men kéo máy công tác. Ngoài ra, trục khuỷu còn nhận được lực từ bánh đà và truyền đến piston để thực hiện các quá trình nạp, nén và xả.
- Cơ cấu phân phối khí: đây là bộ phận có chức năng đóng mở các cổng nạp và xả đúng lúc giúp động cơ thực hiện quá trình nạp khí mới vào xilanh và thải khí đã cháy trong xilanh ra ngoài.
4 hệ thống
- Hệ thống bôi trơn: Hệ thống thực hiện chức năng đưa dầu bôi trơn đến các chi tiết trong động cơ giúp chúng hoạt động tốt, trơn tru và tăng tuổi thọ cho động cơ.
- Hệ thống nạp nhiên liệu và không khí: không khí sạch nạp vào với tỷ lệ hòa khí phải phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ.
- Hệ thống làm mát: bộ phận có chức năng giữ cho nhiệt độ của các chi tiết trong động cơ không vượt quá nhiệt động học cho phép khi làm việc, tránh quá tải.
- Hệ thống khởi động
Ngoài ra, động cơ đốt trong chạy bằng xăng còn được thiết kế hệ thống đánh lửa.
Ứng dụng của động cơ đốt trong
Hiện nay, động cơ đốt trong được sử dụng rộng rãi và đóng vai trò rất quan trọng trong việc tạo ra động lực cơ học cho máy móc. Đồng thời, thiết bị từng bước được ứng dụng trong nhiều ngành sản xuất.
- Động cơ nhiệt được sử dụng rộng rãi nhất trong các ngành công nghiệp như máy phát điện, tàu thủy, ô tô, máy bay, máy móc tĩnh,…
- Đối với ngành nông nghiệp, động cơ nhiệt được ứng dụng vào các loại máy móc sản xuất như máy cày, máy kéo, máy cắt cỏ, cắt cỏ,… Các loại máy này phục vụ cho việc gieo trồng và thu hoạch các loại cây trồng.
- Đối với ngành sản xuất, ứng dụng lớn nhất mà động cơ nhiệt mang lại đó là khả năng đốt cháy trong, đây là bộ phận không thể thiếu trong hệ thống máy phát điện và một số loại máy móc khác.
Lời kết
Trên đây là những nội dung chính về động cơ đốt trong, đây là mẫu động cơ được sử dụng phổ biến nhất trong nhiều ngành công nghiệp hiện nay. Hiệu quả mà thiết bị mang lại là vô cùng lớn cho người sử dụng. Với sự tiến bộ của khoa học, động cơ nhiệt sẽ tiếp tục được cải tiến để nâng hiệu suất lên một tầm cao hơn.
