Động cơ xăng bốn kỳ là dòng động cơ được đánh giá là có công suất lớn, sở hữu khả năng vận hành mạnh mẽ. Đây là loại động cơ đốt trong, thường được sử dụng cho ô tô, các máy móc di động như máy cắt cỏ, xe máy, tàu thuyền nhỏ…
Thế nhưng, bạn có biết động cơ xăng bốn kỳ là gì? Cấu tạo, nguyên lí làm việc, sơ đồ thời gian đóng mở xupap. Tất cả sẽ được Team DANOTO giải thích một cách chi tiết.
Động cơ xăng bốn kỳ là gì?
Giới thiệu động cơ xăng bốn kỳ hay Otto (four-stroke-cycle spark-ignition)
Động cơ đốt trong đầu tiên hoạt động thành công theo chu trình bốn kỳ sử dụng hòa khí làm nhiên liệu và được xây dựng vào năm 1876 bởi Nicolaus August Otto, một kỹ sư tự học người Đức tại nhà máy Gas-motoreufabrik Deutz gần Cologne, trong nhiều năm là nhà sản xuất động cơ đốt trong lớn nhất thế giới. Một trong những đồng nghiệp của Otto – Gottlieb Daimler – sau đó đã phát triển một động cơ chạy bằng xăng được mô tả trong bằng sáng chế số 4315 năm 1885. Ông cũng tiên phong trong việc ứng dụng động cơ này cho xe cơ giới. Động cơ xăng hút vào một hỗn hợp dễ cháy của không khí và xăng, được đánh lửa bởi một tia lửa điện sau khi hỗn hợp được nén. Do đó, động cơ này đôi khi được gọi là động cơ đánh lửa bằng tia lửa (S.I.). Động cơ này yêu cầu bốn thì của piston để hoàn thành một chu trình: kỳ nạp hút hỗn hợp không khí và nhiên liệu vào trong buồng đốt thành hòa khí, kỳ nén hỗn hợp hòa khí được piston nén lên đầu xi lanh, kỹ nổ hỗn hợp hòa khí sau khi nén nổ từ đầu xi lanh đi xuống, và kỳ xả hỗn hợp cháy được đẩy ra khỏi xi lanh.
Cấu tạo cơ bản của một động cơ xăng bốn kỳ?
Ở Việt Nam động cơ xăng bốn kỳ có lẽ không còn quá xa lạ. Từ thành phố đến nông thôn đâu đâu ta cũng có thể bắt gặp được nó trên những chiếc xe ô tô, xe tải, xe máy,…Phổ biến nhất có lẽ là động cơ bốn piston thẳng hàng. Để hiểu được động cơ đốt trong bốn thì là gì có lẽ đầu tiên là phải hiểu được các chi tiết cơ bản trên động cơ đốt trong.
- Nắp quy lát
- Thân máy
- Trục khuỷu
- Thanh truyền
- Bạc
- Piston
- Cơ cấu van
1. Nắp quy lát
Bao gồm 2 bộ phận chính:
Nắp quy lát: Vai trò chính của nắp quy lát là đóng kín buồng đốt của động cơ từ phía trên. Trên nắp quy lát được thiết kế có van nạp và van xả giúp nhiên liệu đi vào trong xy lanh trong kỳ nạp và xả thải khí trong kỳ xả. Phần trên cùng của động cơ được gọi nắp quy lát, phần dưới gọi là thân máy. Đầu xylanh nằm trên động cơ và bịt kín buồng đốt.
Gioăng nắp quy lát: Là miếng đệm để lót giữa thân máy và nắp quy lát mục đích chính là ngăn không khí, nhiên liệu và lượng khí thải thoát ra khỏi giữa khe hở của hai mặt phẳng tiếp xúc.
2. Thân máy
Thân máy là thứ vô cùng quan trọng nơi mà Piston thực hiện các chu trình: nạp, nén, nổ, xả. Giúp điều hướng Piston để chuyển động lên xuống và là nơi chứa nước làm mát để duy trì động cơ ở mức tối ưu nhất là từ 80-90 độ C.
3. Trục khuỷu
Trục khuỷu: Là một phần của động cơ dùng để biến đổi chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay. Theo đó, chúng nhận lực từ piston để tạo ra mô men quay sinh công đưa ra bộ phận công tác và nhận năng lượng từ bánh đà truyền lại cho piston để thực hiện các quá trình sinh công.
Nắp bạc cổ trục khuỷu
4. Thanh Truyền
Thanh truyền: Có tác dụng nối piston với trục khuỷu của động cơ và biến chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu.
Nắp bạc
5. Bạc
Chức năng chính của bạc là giúp giảm mài mòn cho trục và giúp máy vận hành êm ái không bị rung lắc
- Bạc thanh truyền
- Bạc trục khuỷu
- Bạc đệm chắn
6. Piston
Piston: có cấu tạo là hình trụ nằm trong lòng xy lanh, thực hiện chức năng chính trong chu trình: nạp, nén, nổ, xả. Biến nhiệt năng thành động năng truyền xuống trục khuỷu qua thanh truyền làm quay trục khuỷu
Chốt piston: là nơi liên kết giữa đầu nhỏ thanh truyền và piston
Xéc măng: Giúp bịt kín không gây tràn dầu lên buồng đốt cũng như giúp định hướng chuyển động của piston
7. Cơ cấu van
Cơ cấu van bao gồm:
- Trục cam xả
- Trục cam nạp
- Bộ xupap
- Xích cam
- Ray trượt bộ căng xích
- Giảm chấn bộ tăng xích
- Bộ căng xích cam
- Đĩa xích cam trên trục khuỷu
Nguyên lí hoạt động của động cơ xăng four-stroke-cycle spark-ignition
Kỳ nạp (Induction stroke)
Kỳ nạp xupap nạp mở và xupap xả đóng lại. Piston di chuyển xuống, rời khỏi đầu xi lanh. Tốc độ của piston di chuyển dọc theo xi lanh tạo ra một sự giảm áp suất, đạt đến mức tối đa khoảng 0.3 bar thấp hơn áp suất khí quyển ở một phần ba từ đầu kỳ. Sự chân trong buồng đốt sẽ phụ thuộc vào tốc độ và tải trọng của động cơ, giá trị trung bình có thể là 0.12 bar thấp hơn áp suất khí quyển. Chân không này hút vào một lượng khí mới và xăng thành hòa khí và bị xé tơi với tỷ lệ từ 10 đến 17 phần khí không khí với một phần xăng theo trọng lượng. Một động cơ sử dụng cách tạo ra chân không để hút khí ta có thể gọi là động cơ hút “khí tự nhiên”.
Kỳ nén (Compression stroke)
Kỳ nén xupap nạp và xupap xả đều đóng lại. Piston bắt đầu di chuyển lên điểm chết trên. Hỗn hợp không khí và xăng đã hút vào được nén dần lên đến mức khoảng một phần tám đến một phần mười thể tích ban đầu của xi lanh ở vị trí sâu nhất của piston. Quá trình nén này làm cho các phân tử không khí và xăng đã bị xé tơi tiếp xúc chặt hơn với nhau và không chỉ tăng áp suất hỗn hợp trong xi lanh mà còn tăng nhiệt độ. Áp suất nén tối đa của xi lanh thường dao động từ 8 đến 14 bar khi bướm ga mở và động cơ chạy dưới tải.
Kỳ nổ (Power stroke)
Kỳ nổ xupap nạp và xupap xả đóng lại, ngay trước khi piston tiếp cận điểm chết trên trong quá trình nén, bugi bắn tia lửa điện cho hỗn hợp cháy. Khi piston đạt đến điểm chết trên, hỗn hợp bắt đầu cháy, phát ra nhiệt và nhanh chóng tăng áp suất trong xi lanh cho đến khi lực khí vượt quá tải trọng kháng cự. Khí đốt sau đó nở ra và thay đổi hướng chuyển động của piston và đẩy nó xuống điểm chết dưới. Áp suất xi lanh sau đó giảm từ mức cao nhất khoảng 60 bar khi tải đầy xuống còn khoảng 4 bar gần vị trí di chuyển xa nhất của piston.
Kỳ xả (Exhaust stroke)
Ở cuối kỳ nổ, xupap nạp vẫn đóng nhưng xupap xả được mở. Piston thay đổi hướng chuyển động và bây giờ di chuyển từ vị điểm chết dưới lên điểm chết trên. Hầu hết khí đốt đã cháy sẽ bị đẩy ra ngoài bởi năng lượng áp suất của khí, nhưng piston quay trở lại sẽ đẩy phần còn lại của khí thải ra khỏi xi lanh qua van xả ra ngoài không khí. Trong kỳ xả, áp suất khí trong xi lanh sẽ giảm từ áp suất mở van xả (có thể dao động từ 2 đến 5 bar, tùy thuộc vào tốc độ động cơ và vị trí mở bướm ga) xuống áp suất khí quyển hoặc thậm chí thấp hơn khi piston tiếp cận điểm chết trên về phía đầu xi lanh.
Chu trình hoạt động trong một động cơ bốn xi lanh (Cycle of events in a four-cylinder engine):
Chu trình các kỳ: nạp, nén, nổ, xả trong một động cơ bốn xi lanh.
Mối quan hệ giữa áp suất xi lanh và vị trí các kỳ của piston qua bốn kỳ được thể hiện rõ ràng trong hình min họa bên dưới, bằng cách theo dõi các mũi tên, có thể thấy rằng một hình số tám được lặp đi lặp lại.
Sơ đồ thời gian đóng mở van xupap
Trên thực tế, các kỳ của chu trình bốn kỳ không bắt đầu và kết thúc chính xác ở hai đầu của các kỳ để cải thiện khả năng nạp và xả, xupap nạp được bố trí để mở trước điểm chết trên TDC và đóng sau điểm chết dưới BDC và xupap xả mở trước điểm chết dưới BDC và đóng sau điểm chết trên TDC. Những sự kiện mở và đóng sớm và muộn này có thể được thể hiện trên một biểu đồ góc đánh lửa sớm như sau:
Góc mở xupap sớm (Valve lead)
Góc mở xupap sớm là trường hợp xu pắp mở ra một số độ quay của trục khuỷu trước khi đạt đến điểm chết trên TDC hoặc điểm chết dưới BDC. Valve lead giúp cải thiện khả năng hút và xả của động cơ bằng cách tạo ra chân không trong xy lanh.
Góc đóng xupap trễ (Valve lag)
Góc đóng xupap trễ đây là trường hợp một van đóng lại sau một số độ quay của trục khuỷu sau khi đạt đến điểm chết trên TDC hoặc điểm chết dưới BDC. Valve lag giúp cải thiện hiệu suất của động cơ bằng cách giữ lại một phần khí đốt trong xi lanh để tăng áp suất và nhiệt độ cho thì nổ tiếp theo.
Thời gian lặp của xupap (Valve overlap)
Thời gian lặp của xupap đây là trường hợp cả xu pắp nạp và xu pắp xả đều mở cùng một lúc trong một số độ quay của trục khuỷu. Valve overlap giúp cải thiện khả năng hút và xả của động cơ bằng cách tạo ra chân không trong xi lanh và giữ lại một phần khí đốt đã cháy. Nhưng làm cho chế độ chạy không tải kém ổn định.
Kết luận
Đến đây thì bạn đã tìm ra bài viết có nội dung đầy đủ về “động cơ xăng bốn kỳ” rồi chứ? Còn nếu bạn còn muốn tìm hiểu thêm kiến thức, hãy để lại bình luận team chúng em sẽ giúp bạn giải đáp những thắc mắc liên quan tới hệ thống gầm ô tô chi tiết nhất!
Trong trường hợp bạn tìm hiểu đọc hết những kiến thức ở khắp nơi nhưng vẫn không thể tóm gọn lại kiến thức, bạn hoàn toàn có thể theo dõi các bài chia sẻ kiến thức của team chúng em nhé!
| Danh mục từ viết tắt | Dịch nghĩa | ||
| TDC | top dead centre | Inlet valve | Xupap nạp |
| BDC | bottom dead centre | Exhaust valve | Xupap xả |
| I | Induction | Induction | Nạp |
| C | Compression | Compression | Nén |
| P | Power | Power | Nổ |
| E | Exhaust | Exhaust | Xả |
| EO | Exhaust valve open | top dead centre | Điểm chết trên |
| EC | Exhaust valve closes | bottom dead centre | Điểm chết dưới |
| IO | Inlet valve open | Throttle valve | Van điều khí |
| IC | Inlet valve closes | Carburetter | Bộ chế hòa khí |
| Petrol supply | Đường xăng | ||
| Exhaust period | Thời gian xả | ||
| Induction period | Thời gian nạp | ||
Tổng hợp chia sẻ bởi Duy Anh – Team DANOTO