Giáo trình Nguyên lý động cơ đốt trong - Chương 1: Nguyên lý làm việc của động cơ đốt trong

 NL§C§T • 5 
PHẦN I 
CÁC QUÁ TRÌNH CƠ BẢN 
CHƯƠNG 1 
 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 
1.1. KHÁI NIỆM CHUNG 
Động cơ đốt trong nói chung, động cơ xăng và động cơ diesel nói riêng kiểu 
piston chuyển động tịnh tiến thuộc loại động cơ nhiệt. Hoạt động nhờ quá trình biến đổi 
hoá năng sang nhiệt năng do nhiên liệu bị đốt cháy rồi chuyển sang cơ năng. Quá trình 
này được thực hiện ở trong xylanh của động cơ. 
1.2. PHÂN LOẠI 
 Theo nhiên liệu sử dụng: 
 + Động cơ xăng: động cơ dùng nhiên liệu xăng. 
 + Động cơ diesel: động cơ dùng nhiên liệu diesel. 
Theo phương pháp tạo hoà khí và đốt cháy: 
 + Động cơ tạo hoà khí bên ngoài, là loại động cơ mà hỗn hợp nhiên liệu và 
không khí được tạo thành ở bên ngoài xylanh nhờ một bộ phận có cấu tạo đặc biệt (bộ 
chế hoà khí - carbuarettor) sau đó được đưa vào xylanh và được đốt cháy ở đây bằng tia 
lửa điện (động cơ xăng dùng bộ chế hoà khí). 
 + Động cơ tạo hoà khí bên trong, là loại động cơ mà hỗn hợp hơi nhiên liệu và 
không khí được tạo thành ở bên trong xylanh nhờ một bộ phận có cấu tạo đặc biệt (bơm 
cao áp và vòi phun,...) và hỗn hợp này tự bốc cháy do hỗn hợp bị nén ở nhiệt độ cao 
(động cơ diesel). 
Theo số kỳ thực hiện một chu trình công tác: 
 + Động cơ bốn kỳ (4 strokes): Chu kỳ làm việc được hoàn thành sau bốn hành 
trình của piston hoặc hai vòng quay của trục khuỷu; 
 + Động cơ hai kỳ (2 strokes): Chu kỳ làm việc được hoàn thành sau hai hành 
trình của piston hoặc một vòng quay của trục khuỷu. 
Theo quá trình cấp nhiệt và tỷ số nén (): 
 + Động cơ làm việc theo quá trình cấp nhiệt đẳng tích, loại này bao gồm những 
động cơ có tỷ số nén thấp ( = 512), như động cơ sử dụng xăng, nhiên liệu cồn và khí; 
 + Động cơ làm việc theo quá trình cấp nhiệt đẳng áp, loại này bao gồm những 
động cơ có tỷ số nén cao ( = 1224), như động cơ phun nhiên liệu bằng không khí nén 
và tự bốc cháy, động cơ sử dụng bột than; 
 6 • NL§C§T 
 + Động cơ làm việc theo quá trình cấp nhiệt hỗn hợp, loại này bao gồm những 
động cơ có tỷ số nén cao ( = 1224), như động cơ diesel. 
Theo phương pháp nạp: 
 + Người ta phân loại khí nạp có được nén trước khi nạp hay không, tương 
đương với 2 loại đó có động cơ tăng áp và động cơ không tăng áp. 
Theo tỷ số S/D 
 + Động cơ có hành trình ngắn khi: S / D < 1 
 + Động cơ có hành trình dài khi: S / D > 1 
Theo tốc độ động cơ: 
Tuỳ theo tốc độ trượt trung bình của piston: 
 .
30m
S nC , m/s (1-1) 
 + Khi Cm = (3  6) m/s được gọi là động cơ tốc độ thấp; 
 + Khi Cm = (6  9) m/s được gọi là động cơ tốc độ trung bình; 
 + Khi Cm = (9  13) m/s được gọi là động cơ tốc độ cao; 
 + Khi Cm > 13 m/s được gọi là động cơ siêu cao tốc. 
Theo số lượng và cách bố trí xylanh: 
 + Số lượng xylanh: động cơ một xylanh và động cơ nhiều xylanh (động cơ 2, 3, 
4, 6, 8,.. xylanh); 
 + Cách bố trí xylanh: động cơ có xylanh đặt thẳng đứng, đặt nghiêng và nằm 
ngang; 
 + Theo số hàng xylanh: động cơ 1 hàng, động cơ chữ V và động cơ hình sao; 
 +Theo số trục khuỷu: động cơ một, hai hoặc ba trục khuỷu, thậm chí có động 
cơ không có trục khuỷu (như động cơ piston quay- Wallkel). 
Ngoài ra có thể phân loại động cơ theo công dụng, phương pháp làm mát và dung 
tích làm việc... 
1.3. NHỮNG THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ 
Động cơ bao gồm các bộ phận chính sau đây: 
 + Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền; 
 + Cơ cấu phối khí; 
 + Hệ thống nhiên liệu; 
 + Hệ thống bôi trơn; 
 + Hệ thống làm mát; 
 + Hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ động cơ; 
 + Hệ thống khởi động. 
Ở động cơ xăng còn có thêm hệ thống đánh lửa. 
1.3.1. Những thông số cơ bản của động cơ 
Những thông số cấu tạo cơ bản của động cơ, hình 1-1 gồm có: 
 NL§C§T • 7 
Điểm chết: điểm chết là điểm mà piston đổi chiều chuyển động. 
Điểm chết trên (ĐCT) là điểm xa nhất của piston so với đường tâm trục khuỷu. 
Điểm chết dưới (ĐCD) là điểm gần nhất của piston so với đường tâm trục khuỷu. 
Hành trình piston S (stroke) là khoảng cách từ vị trí cao nhất của piston (điểm 
chết trên ĐCT) đến vị trí thấp nhất của của piston (điểm chết dưới ĐCD) khi piston dịch 
chuyển. S = 2.R; trong đó R- là bán kính quay của trục khuỷu. 
Thể tích làm việc của xylanh Vh là thể tích của xylanh giới hạn 
trong khoảng một hành trình của piston: 
2. .
4h
DV S ; (1-2) 
Thể tích làm việc của động cơ VH 
 VH = Vh. i ; (1-3) 
Trong đó: i - là số xylanh của động cơ. 
Hình 1-1. Piston ở điểm chết trên và dưới 
Thể tích buồng cháy Vc là thể tích phần không gian giữa đỉnh piston, xylanh và 
nắp xylanh khi piston ở ĐCT. 
Thể tích chứa hoà khí (thể tích toàn bộ) Va là tổng thể tích làm việc của xylanh Vh 
và thể tích buồng cháyVc. 
 Va = Vh + Vc ; (1-4) 
Tỷ số nén của động cơ  là tỷ số giữa thể tích chứa hoà khí của xylanh Va và thể 
tích buồng cháy Vc. 
1
1

 hc
c
h
c
ch
c
a VV
V
V
V
VV
V
V
 ; (1-5) 
Tỷ số nén biểu hiện hoà khí (động cơ xăng) hoặc không khí (động cơ diesel) bị 
nén nhỏ đi bao nhiêu lần khi piston dịch chuyển từ ĐCD lên ĐCT. Tỷ số nén có ảnh 
hưởng lớn đến công suất cũng như hiệu suất của động cơ. 
Tỷ số nén tùy thuộc vào loại động cơ và thường có trị số như sau: 
 8 • NL§C§T 
Động cơ xăng:  = 3,5  11; 
ĐỘNG CƠ DIESEL:  = 13  22; 
1.4. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ BỐN KỲ 
1.4.1. Động cơ xăng bốn kỳ 
Khi động cơ làm việc hình 1-2, trục khuỷu 1 quay (theo chiều mũi tên) còn piston 
3 nối bản lề với trục khuỷu qua thanh truyền 10, sẽ chuyển động tịnh tiến trong 
xylanh 2. 
Mỗi chu trình làm việc của động cơ xăng bốn kỳ bao gồm 4 hành trình là: nạp, 
nén, cháy- giãn nở, thải, thực hiện một lần sinh công (trong hành trình cháy- giãn nở). 
Để thực hiện được như vậy thì piston phải dịch chuyển lên xuống bốn lần tương ứng với 
hai vòng quay của trục khuỷu động cơ (từ 00 đến 7200). Quá trình diễn ra khi piston đi 
từ ĐCD lên ĐCT hoặc ngược lại được gọi là một kỳ. 
Chu kỳ làm việc của động cơ xăng bốn kỳ như sau: 
. 
 1. trục khuỷu, 2. xylanh, 3. piston, 4. ống nạp, 
 5. bộ chế hoà khí, 6. xupáp nạp, 7. bu gi, 8. xupáp thải, 
 9. ống thải, 10. thanh truyền 
Hình 1-2: Các hành trình làm việc của động cơ xăng 4 kỳ 
Hành trình nạp: trong hành trình này (hình 1-2a), khi trục khuỷu 1 quay, piston 3 
sẽ dịch chuyển từ ĐCT xuống ĐCD, xupáp nạp 6 mở, xupáp thải 8 đóng, làm cho áp 
suất trong xylanh 2 giảm và do đó hoà khí ở bộ chế hoà khí 5 qua ống nạp 4 được hút 
vào xylanh. 
 Trên đồ thị công hình 1-3 (đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa áp suất và thể tích 
làm việc của xylanh ứng với mỗi vị trí khác nhau của piston), hành trình nạp được thể 
hiện bằng đường ra (r-a). 
Trong hành trình nạp, xupáp nạp thường mở sớm trước khi piston lên điểm chết 
trên (biểu thị bằng điểm d1), để khi piston đến ĐCT (thời điểm bắt đầu nạp) thì xupáp 
đã được mở tương đối lớn làm cho tiết diện lưu thông lớn bảo đảm hoà khí đi vào 
xylanh nhiều hơn. Góc ứng 1 với đoạn d1r đó được gọi là góc mở sớm của xupáp nạp. 
 NL§C§T • 9 
 Hình 1-3. Đồ thị công Hình 1-4. Đồ thị phối khí của 
 động cơ xăng 4 kỳ. 
Đồng thời xupáp nạp cũng được đóng muộn hơn một chút so với vị trí piston ở 
ĐCD (điểm d2) để lợi dụng độ chân không còn lại trong xylanh và lực quán tính của 
dòng khí nạp, làm tăng thêm lượng hoà khí nạp vào xylanh (giai đoạn nạp thêm). Góc 
ứng 2 với đoạn ad2 đó được gọi là góc đóng muộn của xupáp nạp. Vì vậy, quá trình 
nạp không phải kết thúc tại ĐCD mà muộn hơn một chút, nghĩa là sang cả hành trình 
nén. Tuy nhiên trong một số chế độ tốc độ thấp do quán tính của dòng khí nạp còn nhỏ, 
(do pd2>p0) một phần môi chất đã được nạp vào trong xylanh bị lọt ra ngoài trong giai 
đoạn góc đóng muộn xupáp nạp khi đó người ta gọi là "hiện tượng thoái lui“. 
Vì vậy, góc quay trục khuỷu tương ứng của quá trình nạp là ( 1 + 180 + 2 ) lớn 
hơn góc trong hành trình nạp 1800. 
Cuối quá trình nạp, áp suất và nhiệt độ của hoà khí trong xylanh là: 
 pa = 0,8  0,9 kG/cm2 
 Ta = 350  4000 K. 
Hành trình nén: trong hành trình này (hình 1-2b), xupáp nạp và xupáp thải đều 
đóng. Piston dịch chuyển từ ĐCD lên ĐCT, hoà khí trong xylanh bị nén, áp suất và 
nhiệt độ của nó tăng lên. 
Hành trình nén được biểu thị bằng đường ac” (hình 1-3), nhưng quá trình nén thực 
tế chỉ bắt đầu khi các xupáp nạp và thải đóng kín hoàn toàn, tức là lúc mà hoà khí trong 
xylanh đã cách ly với môi trường bên ngoài. Do đó thời gian thực tế của quá trình nén 
(1800 - 2) nhỏ hơn thời gian hành trình nén lý thuyết (1800 ). 
Cuối hành trình nén (điểm c’ hình 1-3) bu-gi 7 của hệ thống đánh lửa phóng tia 
lửa điện để đốt cháy hoà khí. Góc ứng với đoạn cc’ (hình 1-3) hay góc s (hình 1-4) 
được gọi là góc đánh lửa sớm của động cơ. 
Cuối hành trình nén, áp suất và nhiệt độ của hoà khí trong xylanh là: 
 pc = 11,0  15,0 kG/cm2 ; Tc = 500  7000 K. 
 10 • NL§C§T 
 Hành trình cháy giãn nở sinh công: trong hành trình này (hình 1-2c), xupáp nạp 
và thải đóng. Do hoà khí được bugi đốt cháy ở cuối hành trình nén, nên khi piston vừa 
đến ĐCT thì tốc độ cháy của hoà khí càng nhanh, làm cho áp suất của khí cháy tăng lên 
rất lớn trong xylanh và được biểu thị bằng đường c’z trên đồ thị công. Tiếp theo quá 
trình cháy là quá trình giãn nở của khí cháy (đường zb) piston bị đẩy từ ĐCT xuống 
ĐCD và phát sinh công. 
Áp suất và nhiệt độ của khí cháy lớn nhất trong xylanh là: 
 pz = 40 70 kG/cm2 Tz = 2300  28000 K 
Hành trình thải: trong hành trình này (hình 1-2b), xupáp nạp vẫn đóng còn xupáp 
thải mở. Piston dịch chuyển từ ĐCD lên ĐCT đẩy khí đã cháy qua ống thải 9 ra ngoài. 
Trước khi kết thúc hành trình cháy – giãn nở sinh công, xupáp thải được mở sớm 
một chút trước khi piston tới ĐCD (điểm b’) để giảm bớt áp suất trong xylanh ở giai 
đoạn giãn nở, do đó giảm được công tiêu hao để đẩy khí ra khỏi xylanh. Ngoài ra khi 
giảm áp suất này thì lượng sản phẩm cháy còn lại trong xylanh cũng giảm, do đó giảm 
được công trong quá trình thải chính và giảm được lượng khí sót đồng thời tăng được 
lượng hoà khí nạp vào xylanh. Góc ứng với đoạn b’b hay góc 3 gọi là góc mở sớm của 
xupáp thải. 
Đồng thời để thải sạch khí cháy ra khỏi xylanh, xupáp thải cũng được đóng muộn 
hơn một chút so với thời điểm piston ở ĐCT (điểm r’). Góc ứng với đoạn rr’ là góc 4 
gọi là góc đóng muộn của xupáp thải. 
Do xupáp thải mở sớm và đóng muộn nên góc quay trục khuỷu dành cho quá trình 
thải ( 3 + 180 + 4 ) lớn hơn góc của hành trình thải ( 180 ). Áp suất và nhiệt độ của khí 
thải là: 
 pr = 1,0 1,20 kG/cm2 ; Tr = 900  12000 K 
Trên đồ thị công đoạn d1r biểu thị thời kỳ trùng điệp của xupáp nạp và xupáp thải, 
tức là thời kỳ mà hai xupáp cùng mở, góc ứng với đoạn d1r’ là góc ( 1 + 4 ) (hình1-4) 
gọi là góc trùng điệp của hai xupáp. 
Sau khi hành trình thải kết thúc, thì động cơ xăng 4 kỳ một xylanh đã hoàn thành 
một chu kỳ làm việc và chuyển sang chu trình tiếp theo. 
1.4.2. Động cơ diesel bốn kỳ không tăng áp 
 a) b) c) d) 
 NL§C§T • 11 
 1. trục khuỷu; 2. xylanh; 3. piston; 4. ống nạp; 5. bơm cao áp; 
 6. xupáp nạp; 7. vòi phun; 8. xupáp thải; 9. ống thải; 10.thanh truyền. 
Hình 1-5. Các hành trình làm việc của động cơ diesel 4 kỳ 
Quá trình làm việc của động cơ diesel bốn kỳ cũng giống như động cơ xăng 4 kỳ, 
nghĩa là piston cũng phải thực hiện bốn hành trình nạp, nén, cháy giãn nở, thải. Trong 
động cơ diesel 4 kỳ quá trình nạp và nén môi chất là không khí (mà không phải hoà khí) 
và nhiên liệu tự cháy, do không khí nén có nhiệt độ cao (mà không dùng tia lửa điện). 
Chu kỳ làm việc của động cơ diesel 4 kỳ như sau: 
Hành trình nạp: trong hành trình này (hình 1-5a), khi trục khuỷu 1 quay, piston 7 
sẽ dịch chuyển từ ĐCT xuống ĐCD, xupáp nạp 4 mở, xupáp thải 6 đóng, làm cho áp 
suất trong xylanh 2 giảm, không khí ở bên ngoài được nạp vào trong xylanh. 
Cuối quá trình nạp, áp suất và nhiệt độ của hoà khí trong xylanh là: 
 pa = 0,8  0,9 kG/cm2 ; Ta = 330 3800 K. 
Hành trình nén: trong hành trình này (hình 1-5b), xupáp nạp và xupáp thải đều 
đóng. Piston dịch chuyển từ ĐCD lên ĐCT, hoà khí trong xylanh bị nén, áp suất và 
nhiệt độ của nó tăng lên. Hành trình nén được biểu thị bằng đường ac’ (hình 1-6), nhưng 
quá trình nén thực tế chỉ bắt đầu khi các xupáp nạp và thải đóng kín hoàn toàn, tức là 
lúc mà hoà khí trong xylanh đã cách ly với môi trường bên ngoài. Do đó thời gian thực 
tế của quá trình nén (1800 - 2) nhỏ hơn thời gian hành trình nén lý thuyết (1800). 
Cuối hành trình nén (điểm c’) vòi phun 5 của hệ thống nhiên liệu sẽ phun nhiên 
liệu xylanh để hoà trộn với không khí có nhiệt độ cao, rồi tự bốc cháy (động cơ tự 
cháy). Góc ứng với điểm c’ (góc s) (hình 1-4) được gọi là góc phun nhiên liệu sớm của 
động cơ. 
Cuối hành trình nén, áp suất và nhiệt độ của hỗn hợp khí và nhiên liệu trong 
xylanh là: 
 pc = 40  50 kG/cm2 ; Tc = 800  9000 K. 
Hành trình cháy giãn nở sinh công: trong hành 
trình này (hình 1-5c), xupáp nạp và thải đóng. Do nhiên 
liệu phun vào xylanh ở cuối hành trình nén đã được 
chuẩn bị và tự bốc cháy, nên khi piston đến ĐCT thì 
nhiên liệu cháy càng nhanh, làm cho áp suất khí cháy 
tăng lên, hoà khí cháy càng nhanh, làm cho áp suất trong 
xylanh tăng lên rất lớn và đẩy piston từ ĐCT xuống 
ĐCD qua thanh truyền làm quay trục khuỷu và phát sinh 
công. 
Áp suất và nhiệt độ lớn nhất của khí cháy trong 
xylanh là: 
 pz = 60  80 kG/cm2 ; Tz = 1900  22000 K 
Hành trình thải: trong hành trình này (hình 1-5d), 
xupáp nạp vẫn đóng còn xupáp thải mở. Piston dịch 
chuyển từ ĐCD lên ĐCT đẩy khí cháy qua xupáp thải ra 
ngoài. 
Hình 1-6: Đồ thị công 
động cơ diesel 4 kì