Mục lục:
- Sơ lược về động cơ Otto
- Nguyên lý hoạt động của động cơ Otto
- Đặc điểm của động cơ Otto
- Quá trình cháy của động cơ Otto
Sơ lược về động cơ Otto
Động cơ Otto là động cơ đốt trong biến đổi hóa năng thành nhiệt năng nhờ đốt nhiên liệu và thông qua piston, năng lượng này được chuyển đổi thành cơ năng.
Cấu tạo
Động cơ xăng gồm bốn nhóm chính và những thiết bị phụ:
| Nhóm các chi tiết cố định (vỏ hộp động cơ) | Cacte trên, đầu xi lanh, khối xi lanh, vỏ hộp trục khuỷu, cacte dưới (máng dầu) |
| Nhóm cơ cấu phát lực (cơ cấu truyền động trục khuỷu) | Piston, thanh truyền, trục khuỷu |
| Nhóm cơ cấu nạp thải (bộ điều khiển động cơ) | Xú páp, lò xo xú páp, cò mổ, trục cò mổ, trục cam, bánh xe điều khiển, xích cam hay dây curoa cam |
| Nhóm hệ thống nhiên liệu (bộ chế hòa khí) | Hệ thống phun nhiên liệu, cổ góp nạp |
| Thiết bị phụ | Hệ thống đánh lửa, hệ thống bôi trơn động cơ, hệ thống làm mát động cơ, hệ thống xả khí thải, và đôi khi có thêm hệ thống tăng áp |
Nguyên lý hoạt động của động cơ Otto
Bốn thì của một chu kỳ làm việc là nạp, nén, sinh công và thải. Một chu kỳ làm việc trải qua hai vòng quay của trục khuỷu (720° góc quay trục khuỷu – GQTK).
| Thì #1 Nạp |
|---|
| Khi piston di chuyển xuống, vì vùng thể tích trong xi lanh gia tăng, tạo ra một sai biệt áp suất từ -0,1 đến -0,3 bar so với áp suất bên ngoài. Vì áp suất bên ngoài động cơ cao hơn trong xi lanh nên không khí bị đẩy vào hệ thống hút. Hỗn hợp nhiên liệu – không khí được hòa trộn trong cửa nạp hoặc trực tiếp trong xi lanh khi nhiên liệu được phun vào. Để nạp được thật nhiều không khí hay có nhiều hòa khí trong xi lanh, xú páp nạp (EV) đã mở sớm khi góc quay trục khuỷu đạt đến 45° trước điểm chết trên (ĐCT) và đóng trễ khi góc quay trục khuỷu đạt 35° đến 90° sau điểm chết dưới (ĐCD). |
| Thì #2 Nén |
|---|
| Khi di chuyển lên, piston nén hỗn hợp hòa khí lại còn từ 1/7 đến 1/12 thể tích ban đầu trong xi lanh. Khi được phun trực tiếp, không khí bị nén lại ở phạm vi momen xoắn và tốc độ quay thấp (đến khoảng 3.000 vòng/phút). Nhiên liệu được phun vào khi gần đến thời điểm đốt. Hòa khí đạt nhiệt độ khoảng 400 °C đến 500 °C. Vì khí không giãn nở được ở nhiệt độ cao này nên áp suất nén tăng lên đến 18 bar. Áp suất này hỗ trợ sự bay hơi của nhiên liệu và tự trộn lẫn với không khí. Như thế việc đốt ở thì thứ ba có thể xảy ra nhanh và toàn diện. Trong thì nén, xú páp nạp và xú páp thải đều được đóng. |
| Thì #3 Sinh công |
|---|
| Quá trình cháy được bắt đầu nhờ tia lửa phóng ra nơi điện cực của bugi. Thời gian từ khi tia lửa phóng ra cho đến khi khối lửa bùng lên hoàn toàn chỉ khoảng 1/1000 giây với tốc độ lan truyền 20 m/s. Vì lý do này, thời điểm phóng tia lửa phải xảy ra ở 0° đến khoảng 40° trước ĐCT – tùy tốc độ động cơ, để có được một áp suất cháy tối đa cần thiết từ 30 bar đến 60 bar kề sau ĐCT (góc quay trục khuỷu từ 4 đến 10°). Khi khí nóng đến 2.500 °C, sự giãn nở của khí đẩy piston xuống ĐCD, nhiệt năng được chuyển đổi thành cơ năng. |
| Thì #4 Xả |
|---|
| Xú páp thải mở sớm từ 40° đến 90° trước ĐCD, nhờ đó luồng khí thải thoát ra dễ dàng và giảm nhẹ tải trọng tác động vào hệ thống trục khuỷu. Do áp suất cuối kỳ sinh công còn khoảng từ 3 bar đến 5 bar, khí thải nóng đến 900 °C được đẩy ra khỏi xi lanh với tốc độ âm thanh. Khi piston di chuyển lên, khí thải thừa được đẩy ra với một áp suất tích tụ khoảng 0,2 bar. Để hỗ trợ cho việc thoát khí thải, xú páp thải chỉ đóng lại sau ĐCT trong lúc xú páp nạp đã mở. Sự trùng lặp của thời gian mở xú páp giúp đẩy mạnh việc làm trống và làm nguội buồng đốt qua đó cải thiện quá trình nạp. |
Đặc điểm của động cơ Otto
- Vận hành với xăng hoặc khí đốt.
- Hình thành hòa khí:
– Hình thành hòa khí bên ngoài: Hỗn hợp nhiên liệu và không khí được hòa trộn trong cổ nạp bên ngoài xi lanh.
– Hình thành hòa khí bên trong: Trong thì nạp, lúc đầu chỉ có không khí trong xi lanh. Hỗn hợp nhiên liệu và không khí được sinh ra do việc phun nhiên liệu vào xi-lanh trong quá trình nạp hay nén. - Đánh lửa cưỡng bức
- Quá trình cháy đẳng tích: Qua việc hòa khí bị đốt cháy đột ngột, quá trình cháy hầu như đẳng tích.
- Điều chỉnh khối lượng: Lượng hỗn hợp nhiên liệu và không khí được thay đổi tương ứng với vị trí của van bướm ga (trạng thái tải trọng).
Quá trình cháy của động cơ Otto
Vì thời gian đốt hỗn hợp nhiên liệu và không khí rất ngắn (giai đoạn đốt hoàn tất ngay sau ĐCT) nên những phân tử của nhiên liệu và khí oxy trong hỗn hợp nén phải nằm sát nhau. Oxy cần thiết cho việc đốt, được lấy từ không khí hút vào. Vì không khí chỉ chứa khoảng 20% oxy nên nhiên liệu cần phải hòa trộn với tương đối nhiều không khí. Theo lý thuyết, lượng không khí tối thiểu cần cho một quá trình cháy trọn vẹn vào khoảng 14,8 kg không khí cho 1 kg xăng (~ 12m3 với khối lượng riêng = 1,29 kg/m3).
Carbon có trong nhiên liệu cháy cùng với oxy tạo thành khí carbonic (carbon dioxide, CO2), hydro kết hợp với oxy tạo thành hơi nước (H2O). Khí nitơ có trong không khí không tham gia vào phản ứng cháy. Nhưng ở áp suất và nhiệt độ cháy cao lại hình thành khí độc nitơ oxide (NOx).
Cháy hoàn toàn: Hóa năng của nhiên liệu được chuyển thành nhiệt năng.
C + O2 = CO2 + Nhiệt năng
2 H2 + O2 = 2 H2O + Nhiệt năng
Thí dụ, nếu chỉ 13 kg không khí cho 1 kg xăng thì hỗn hợp nhiên liệu và không khí quá đậm (1:13). Vì quá ít oxy có sẵn nên một phần Carbon cháy không hết trở thành khí độc carbon monoxide (CO).
Cháy không hoàn toàn:
2 C + O2 → 2 CO + Nhiệt
Thí dụ với 16 kg không khí cho 1 kg xăng thì hỗn hợp nhiên liệu và không khí quá loãng (1:16). Việc cháy có thể trọn vẹn, nhưng vì lượng nhiên liệu có sẵn bay hơi ít nên khu vực trong xi lanh được làm mát ít hơn, động cơ có thể sẽ bị quá nhiệt.
Cháy kích nổ:
Động cơ Otto bị kích nổ khi hỗn hợp nhiên liệu và không khí tự bốc cháy bên cạnh việc bị đốt do tia lửa từ bugi gây ra
Việc tự bốc cháy ở nhiều tâm lửa cùng một lúc dẫn đến hiện tượng cháy đột ngột và cực nhanh với những màng lửa dạng hình cầu di chuyển hướng về nhau. Tốc độ cháy phát sinh đạt từ 300 m/s đến 500 m/s tạo ra những áp suất cao vượt mức.
Tạp âm leng keng hay tiếng ồn (tiếng khua) trong động cơ sinh ra do những luồng sóng xung được kích hoạt bởi những tâm lửa khác nhau khiến từng bộ phận của động cơ bị rung lên. Hiện tượng kích nổ làm cho nhóm cơ cấu phát lực phải chịu một tải trọng cơ và nhiệt lớn hơn, đồng thời làm giảm công suất.
Nguyên nhân kích nổ:
Ngoài việc sử dụng nhiên liệu không thích hợp, có thể có những nguyên nhân gây kích nổ sau:
- Đốt quá sớm.
- Hòa khí không được phân phối đều trong xi lanh.
- Dẫn nhiệt không tốt do tồn đọng cặn than hoặc hệ thống làm mát có lỗi.
- Tỷ số nén quá lớn, thí dụ do sử dụng đệm lót đầu xi lanh quá mỏng.
Kích nổ tăng tốc:
Xuất hiện chủ yếu khi tăng tốc quá tải ở tốc độ quay động cơ thấp. Nguyên nhân thường do nhiên liệu có chỉ số octan (RON) không phù hợp hoặc thời điểm đánh lửa sai.
Kích nổ tốc độ cao:
Thường xuất hiện khi quá tải ở tốc độ quay động cơ cao. Nguyên nhân thường do nhiên liệu có chỉ số octan động cơ thấp (MON) hoặc do nhiên liệu có độ sai biệt giữa RON và MON (=độ nhạy) quá cao. Do đó động cơ có thể bị nóng quá mức. Những hư hỏng có thể xảy ra như cháy xú páp, cháy đầu piston và đệm lót đầu xi lanh cũng như nghẽn piston.
Tự bốc cháy:
Phát sinh do những chi tiết nóng đỏ trong buồng đốt của động cơ trước khi hỗn hợp nhiên liệu và không khí được đốt qua tia lửa từ bugi (cháy sớm không kiểm soát).
