Động cơ đốt trong là một trong những động cơ nhiệt phổ biến được sử dụng trong sản xuất ngày càng nhiều. Vậy, điều gì tạo nên cấu tạo và nguyên lý hoạt động của loại động cơ này? Hãy cùng tìm hiểu chi tiết thông 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. Loại động cơ này giúp chuyển đổi nhiệt năng thành động năng thông qua quá trình đốt cháy nhiên liệu bên trong buồng đốt (xi lanh), đem lại 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 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.
Động cơ đốt trong là gì?
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, thay đổi toàn bộ cách thức vận hành của thế giới trong quá trình sản xuất, lao động và vận động của con người.
Động cơ nhiệt đã tồn tại từ lâu đời và đã phát triển qua nhiều giai đoạn cụ thể. Động cơ đốt trong đã dần trở nên hiện đại hơn để đáp ứng yêu cầu của người dùng. Lịch sử hình thành và quá trình phát triển của động cơ được chia thành các giai đoạn 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 động cơ nhiệt. Năm 1897, 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 đang 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 mạnh mẽ. Hiện sản lượng hàng năm ước tính đạt khoảng 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 nghiệp, năng lượng và đồ gia dụng.
Cho đến nay, động cơ đã được sử dụng rộng rãi và vẫn chiếm tỷ trọng rất lớn trong tổng năng lượng sử dụng cho các thiết bị kỹ thuật trên toàn thế giới.
Nguồn gốc, lịch sử hình thành động cơ đốt trong
Phân loại động cơ đốt trong
Động cơ đốt trong có rất nhiều loại, tùy thuộc vào nhiên liệu sử dụng, cấu tạo và 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 diesel.
- Phân loại theo số lượng xi lanh: động cơ xi lanh đơn và động cơ nhiều xi lanh.
- Phân loại theo cách bố trí xi lanh đối với động cơ nhiều xi lanh: động cơ xi lanh đơn, hình chữ V hoặc động cơ hình sao. 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 và động cơ piston quay 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.
Phân loại động cơ đốt trong
Nguyên lý hoạt động của loại động cơ đốt trong
Nguyên lý hoạt động chung của các loại động cơ nhiệt là quá trình đốt cháy nhiên liệu bên trong buồng đốt. Nhờ nhiệt độ cao, khí trong buồng đốt của động cơ sẽ giãn nở mạnh tạo ra áp suất cực lớn đẩy piston về phía trước và tạo ra động năng. Do đó, trục khuỷu, thanh truyền và các phần tử bánh răng biến động tịnh tiến thành chuyển động quay.
Hiện nay, loại động cơ phổ biến nhất 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 mỗi chu kỳ, nhiên liệu được đưa vào buồng đốt, sau đó được nén ở áp suất cao và đánh lửa để tạo ra hỗn hợp khí và nhiên liệu. Cuối cùng, khí đã cháy được giải phóng để tạo ra khoảng trống và bắt đầu một chu kỳ mới.
Hiện nay, hầu hết các mẫu động cơ đốt trong hoạt động theo nguyên lý 4 kỳ 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 trên xuống dưới. Lúc đó, van nạp mở và van xả đóng, làm tăng thể tích trong động cơ và giảm áp suất. Chuyển động trong xi lanh xảy ra do chênh lệch áp suất giữa bên trong và bên ngoài buồng đốt.
Nén
Ở giai đoạn này, cả hai van đóng lại và piston di chuyển từ dưới lên trên, làm giảm thể tích bên trong động cơ và tăng áp suất. Bộ phận hút khí sẽ tạo ra hỗn hợp khí bằng cách phun một lượng dầu diesel để hòa trộn với không khí nóng trong buồng đốt.
Nổ
Piston tiếp tục chuyển động từ trên xuống dưới và ở giai đoạn này, cả hai van vẫn đóng. Trong lúc này, áp suất và nhiệt độ bên trong xilanh đã tăng lên, kết hợp với khí nhiên liệu bị đốt cháy đẩy piston đi xuống và thông qua thanh truyền, tạo ra chuyển động quay và làm việc.
Xả
Nhờ truyền động từ trục khuỷu, piston di chuyển từ trên xuống dưới và ở giai đoạn này, van nạp đóng lại và van xả mở, làm giảm thể tích bên trong và tăng áp suất.
Đây là 4 giai đoạn chính trong nguyên lý hoạt động của động cơ đốt trong, các thiết bị này tuân theo tính chất tuần hoàn và lặp đi lặp lại.
Nguyên lý hoạt động chung của động cơ nhiệt
Cấu tạo hình thành nên động cơ nhiệt là gì?
Mặc dù có nhiều loại động cơ nhiệt, nhưng cấu tạo cơ bản của động cơ này là giống nhau, bao 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 đều 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 tạo thành không gian làm việc. Piston nhận lực đẩy từ khí cháy và truyền lực cho trục khuỷu để sinh ra công, đồng thời cũng nhận lực từ trục khuỷu để thực hiện các quá trình nạp, nén, nổ và xả.
- Thanh truyền: còn được gọi là tay gạt phụ. Chi tiết này truyền lực giữa piston và trục khuỷu.
- Trục khuỷu: nhận lực từ thanh truyền để tạo mô-men xoắn công tác. Ngoài ra, trục khuỷu còn nhận lực từ bánh đà và truyền đến piston để thực hiện các quá trình nạp, nén và xả.
4 Hệ thống
- Hệ thống bôi trơn: Hệ thống này đưa dầu bôi trơn đến các chi tiết trong động cơ, giúp chúng hoạt động trơn tru và tăng tuổi thọ.
- Hệ thống nạp nhiên liệu và không khí: Không khí sạch được nạp vào với tỷ lệ phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ.
- Hệ thống làm mát: Bộ phận này giữ cho nhiệt độ của các chi tiết trong động cơ không vượt quá nhiệt độ học 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.
Cấu tạo hình thành nên động cơ đốt trong là gì?
Ứng dụng của động cơ đốt trong
Hiện nay, động cơ đốt trong được sử dụng rộng rãi và đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra động lực cơ học cho máy móc. Đồng thời, thiết bị này đã 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,... Các loại máy này phục vụ cho việc gieo trồng và thu hoạch các loại cây trồng.
- Đối với ngành sản xuất, động cơ đốt trong đóng vai trò quan trọng trong 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 rộng rãi 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.
