Động cơ đốt trong xăng hay còn gọi là động cơ đánh lửa cưỡng bức (SI) sử dụng chu trình Otto và hệ thống đánh lửa bên ngoài. Động cơ này đốt cháy hỗn hợp không khí/nhiên liệu và trong quá trình đó chuyển đổi năng lượng hóa học trong nhiên liệu thành năng lượng cơ học.
Trong nhiều năm, bộ chế hòa khí là bộ phận chịu trách nhiệm cung cấp hỗn hợp không khí/nhiên liệu vào ống nạp, sau đó hỗn hợp này được hút vào xi lanh nhờ chuyển động xuống của piston.
Sự đột phá của công nghệ phun xăng, cho phép đo lường nhiên liệu cực kỳ chính xác, là kết quả của luật quản lý giới hạn khí thải. Tương tự như quy trình chế hòa khí, với phun nhiên liệu ống góp, hỗn hợp không khí/nhiên liệu được hình thành trong ống góp nạp.
Sự phát triển của hệ thống phun xăng trực tiếp mang lại nhiều ưu điểm hơn nữa, đặc biệt về mặt tiết kiệm nhiên liệu và tăng công suất động cơ. Phun xăng trực tiếp bơm nhiên liệu trực tiếp vào xi lanh động cơ tại đúng thời điểm cần thiết.
Nguyên lý hoạt động
Quá trình đốt cháy hỗn hợp không khí/nhiên liệu làm cho piston (Hình 1, Vị trí 8) thực hiện chuyển động tịnh tiến lên xuống trong xi lanh (9). Tên gọi động cơ piston tịnh tiến hay ngắn gọn là động cơ tịnh tiến xuất phát từ nguyên lý hoạt động này.
Thanh truyền (10) chuyển đổi chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu (11), và chuyển động quay này được duy trì nhờ bánh đà ở cuối trục khuỷu. Tốc độ quay của trục khuỷu còn được gọi là tốc độ động cơ hoặc vòng tua máy (rpm).
Nguyên lý hoạt động động cơ 4 kì
Ngày nay, phần lớn các động cơ đốt trong được sử dụng làm nguồn động lực cho xe cộ là loại động cơ bốn kỳ. Nguyên lý bốn kỳ sử dụng các van (xupap) nạp xả (5 và 6) để kiểm soát chu kỳ xả và nạp. Những van này mở và đóng các đường nạp và xả của xi lanh, và trong quá trình đó kiểm soát việc cung cấp hỗn hợp không khí/nhiên liệu mới và việc đẩy ra khí thải đã cháy.
Kỳ thứ nhất: Kỳ nạp
Khi piston di chuyển xuống dưới từ Điểm chết trên (TDC), nó làm tăng thể tích của buồng đốt (7), nhờ đó không khí mới (đối với động cơ phun nhiên liệu trực tiếp) hoặc hỗn hợp không khí/nhiên liệu mới (đối với động cơ phun nhiên liệu vào ống nạp) được hút vào buồng đốt qua van nạp mở (5). Buồng đốt đạt thể tích lớn nhất (Vh + Vc) tại Điểm chết dưới (BDC).
Kỳ thứ hai: Kỳ nén
Các van (xupap) đều đóng, và piston di chuyển lên trong xi lanh. Quá trình này làm giảm thể tích của buồng đốt và nén hỗn hợp không khí/nhiên liệu.
Đối với động cơ phun nhiên liệu vào ống nạp, hỗn hợp không khí/nhiên liệu đã đi vào buồng đốt vào cuối kỳ nạp. Trong khi đó, với động cơ phun nhiên liệu trực tiếp, tùy thuộc vào chế độ vận hành, nhiên liệu sẽ được phun vào cuối kỳ nén.
Tại Điểm chết trên (TDC), thể tích buồng đốt đạt mức nhỏ nhất (thể tích nén Vc).
Kỳ thứ ba: Kỳ sinh công (hoặc cháy)
Trước khi piston đạt Điểm chết trên (TDC), bugi (2) kích hoạt quá trình đốt cháy hỗn hợp không khí/nhiên liệu tại một điểm đánh lửa xác định (góc đánh lửa). Hình thức đánh lửa này được gọi là đánh lửa cung cấp bên ngoài. Piston đã vượt qua điểm TDC của nó trước khi hỗn hợp hoàn toàn được đốt cháy.
Các van (xupap) vẫn đóng, và nhiệt từ quá trình đốt cháy làm tăng áp suất trong xi lanh đến mức mà piston bị đẩy xuống.
Kỳ thứ tư: Kỳ xả
Van (xupap) xả (6) mở ra ngay trước khi piston đạt Điểm chết dưới (BDC). Các khí thải nóng (khí xả) ở áp suất cao sẽ thoát ra khỏi xi lanh qua van xả. Khí xả còn lại sẽ được đẩy ra ngoài bởi piston đang di chuyển lên.
Một chu kỳ hoạt động mới lại bắt đầu với kỳ nạp sau mỗi hai vòng quay của trục khuỷu.
Valve timing
Các xupap được mở và đóng bởi các vấu cam trên trục cam nạp và trục cam xả (tương ứng chi tiết 3 và 1).
Trên các động cơ chỉ có một trục cam, một cơ cấu đòn bẩy (cò mổ) sẽ chuyển chuyển động nâng của cam đến các van trao đổi khí.
Thời gian đóng mở van xác định thời điểm mở và đóng của các van trao đổi khí. Vì nó được tham chiếu theo vị trí của trục khuỷu, nên thời gian này được tính bằng “góc quay trục khuỷu”. Các hiệu ứng dòng khí và rung động của cột khí được áp dụng để cải thiện việc làm đầy buồng đốt bằng hỗn hợp không khí/nhiên liệu và để loại bỏ khí thải. Đây là lý do cho việc thời gian mở và đóng van chồng chéo nhau trong một khoảng vị trí góc trục khuỷu nhất định.
Trục cam được dẫn động từ trục khuỷu thông qua một dây đai răng (hoặc bằng xích hoặc cặp bánh răng).
Trên các động cơ bốn kỳ, một chu kỳ làm việc hoàn chỉnh mất hai vòng quay của trục khuỷu. Nói cách khác, trục cam chỉ quay với một nửa tốc độ của trục khuỷu, do đó tỷ lệ giảm tốc giữa trục khuỷu và trục cam là 2:1.
Tỷ số nén
Sự khác biệt giữa thể tích piston tối đa Vh và thể tích nén Vc chính là tỷ số nén
\[
\epsilon = \frac{V_c}{V_h + V_c}
\]
Tỷ lệ nén của động cơ là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến:
- Mô-men xoắn
- Công suất
- Suất tiêu hao nhiên liệu
- Khí thải ô nhiễm có hại
Tỷ lệ nén của động cơ xăng epsilon thay đổi tùy theo cấu tạo thiết kế và hình thức phun nhiên liệu được chọn (phun vào ống nạp hoặc phun trực tiếp, ε=7…13). Các tỷ số nén như trong các động cơ diesel ( ε) không phù hợp cho động cơ xăng. Do khả năng chống kích nổ của nhiên liệu bị giới hạn, áp suất nén cực hạn và nhiệt độ buồng đốt cao phát sinh từ các tỷ số nén như cao vậy phải được tránh để ngăn chặn việc đốt cháy tự phát và không kiểm soát của hỗn hợp không khí/nhiên liệu. Hiện tượng kích nổ này làm giảm hiệu suất động cơ.
Tỷ lệ không khí/nhiên liệu
Sự đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp không khí/nhiên liệu phụ thuộc vào tỉ lệ hỗn hợp stoichiometric (tỉ lệ không khí/nhiên liệu). Tỉ lệ này được định nghĩa là 14,7 kg không khí trên 1 kg nhiên liệu, tức là tỉ lệ hỗn hợp 14,7:1. Đây là tỉ lệ tối ưu giúp động cơ xăng đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu mà không để lại khí thải không mong muốn.
Tỉ lệ không khí/nhiên liệu (λ – lambda) cho biết mức độ mà tỉ lệ không khí/nhiên liệu hiện tại lệch khỏi tỉ lệ lý tưởng đó. Lambda được tính theo công thức:
\[ \lambda = \frac{\text{khối lượng không khí nạp thực tế}}{\text{khối lượng không khí nạp theo lý thuyết}}\]
Trong đó, lambda bằng 1,0 (λ = 1,0) tương ứng với tỉ lệ stoichiometric. Nó cũng được gọi là hệ số dư thừa không khí.
- Hỗn hợp giàu nhiên liệu dẫn đến chỉ số lambda nhỏ hơn 1 (λ < 1), nghĩa là lượng nhiên liệu nhiều hơn so với không khí cần thiết.
- Hỗn hợp nghèo nhiên liệu tạo ra tỉ lệ không khí lớn hơn cần thiết, tức là lambda lớn hơn 1 (λ > 1). Khi lambda vượt quá một mức nhất định, hỗn hợp không thể cháy được, được gọi là giới hạn cháy nghèo.
Hệ số dư thừa không khí (λ) ảnh hưởng lớn đến mức tiêu thụ nhiên liệu và khí thải chưa qua xử lý. Ví dụ, hỗn hợp quá giàu hoặc quá nghèo có thể làm tăng tiêu thụ nhiên liệu và gây ra khí thải không mong muốn như CO và HC, trong khi hỗn hợp chuẩn với λ = 1 giúp đốt cháy hiệu quả và giảm thiểu ô nhiễm.
Kết thúc phần 1
Mọi ý kiến góp ý về bài dịch kính mong bạn đọc gửi về fanpage của chúng tôi ở cuối trang. Cám ơn quý bạn đọc đã quan tâm!
Bài viết được dịch từ sách: