A. Lý thuyết trọng tâm

I. Một số khái niệm cơ bản

1. Điểm chết

Điểm chết là vị trí mà tại đó pít tông đổi chiều chuyển động. Có hai điểm chết:

• Điểm chết trên (ĐCT): Vị trí mà tại đó đỉnh pít tông xa tâm trục khuỷu nhất (Hình 18.2a).
• Điểm chết dưới (ĐCD): Vị trí mà tại đó đỉnh pít tông gần tâm trục khuỷu nhất (Hình 18.2b, 18.2c).

2. Hành trình của pít tông (S)

Hành trình pít tông là quãng đường di chuyển của pít tông giữa hai điểm chết. Khi pít tông dịch chuyển một hành trình S thì trục khuỷu quay được nửa vòng (tương ứng góc quay 180°). Nếu gọi R là bán kính quay của trục khuỷu, hành trình S được tính:

$$S = 2 \times R \tag{18.1}$$

3. Thể tích buồng cháy ($V_c$)

Thể tích buồng cháy là không gian được giới hạn bởi nắp máy, xi lanh và đỉnh pít tông khi pít tông ở ĐCT.

4. Thể tích công tác của xi lanh ($V_s$)

Thể tích công tác của xi lanh là không gian được giới hạn bởi hai điểm chết. Với xi lanh có đường kính D, thể tích công tác được tính:

$$V_s = \frac{\pi \times D^2}{4} \times S \tag{18.2}$$

5. Thể tích toàn phần ($V_a$)

Thể tích toàn phần là không gian giới hạn bởi nắp máy, xi lanh và đỉnh pít tông khi pít tông ở ĐCD:

$$V_a = V_c + V_s \tag{18.3}$$

6. Thể tích công tác của động cơ ($V_h$)

Thể tích công tác của động cơ là tổng thể tích công tác của tất cả các xi lanh. Với i là số xi lanh:

$$V_h = V_s \times i \tag{18.4}$$

7. Tỉ số nén của động cơ ($\varepsilon$)

Tỉ số nén là tỉ số giữa thể tích toàn phần và thể tích buồng cháy:

$$\varepsilon = \frac{V_a}{V_c} \tag{18.5}$$

8. Chu trình công tác

Chu trình công tác là tổng hợp các quá trình (thay đổi môi chất trong xi lanh như nạp, nén, nổ, xả) diễn ra liên tiếp để động cơ thực hiện biến đổi hoá năng thành cơ năng.

9. Kì

Kì là một phần của chu trình công tác của động cơ đốt trong khi pít tông thực hiện một hành trình S. Theo đó:

• Động cơ 4 kì: Chu trình công tác diễn ra trong 4 hành trình pít tông (hai vòng quay trục khuỷu).
• Động cơ 2 kì: Chu trình công tác diễn ra trong 2 hành trình pít tông (một vòng quay trục khuỷu).

II. Nguyên lí làm việc

1. Nguyên lí làm việc của động cơ xăng 4 kì

Khi động cơ làm việc, pít tông chuyển động tịnh tiến trong xi lanh còn trục khuỷu quay theo chiều mũi tên. Chu trình làm việc gồm bốn hành trình: nạp, nén, nổ và thải; trong đó chỉ có một hành trình sinh công (nổ).

a) Kì nạp (quá trình nạp)

Pít tông dịch chuyển từ ĐCT đến ĐCD, trục khuỷu quay 1/2 vòng (từ 0° đến 180°). Xu páp nạp mở, xu páp thải đóng, áp suất trong xi lanh giảm (tạo chênh lệch áp suất giữa xi lanh và đường nạp), hoà khí (xăng và không khí) được hút vào xi lanh.

b) Kì nén (quá trình nén)

Pít tông dịch chuyển từ ĐCD đến ĐCT, trục khuỷu quay tiếp 1/2 vòng (từ 180° đến 360°). Cả xu páp nạp và xu páp thải đều đóng, hỗn hợp xăng và không khí (hoà khí) trong xi lanh bị nén lại, áp suất và nhiệt độ tăng lên. Cuối kì nén, khi pít tông gần đến ĐCT, bu gi của hệ thống đánh lửa phóng tia lửa điện đốt cháy hoà khí trong xi lanh.

c) Kì nổ (quá trình cháy và giãn nở sinh công)

Xu páp nạp và xu páp thải vẫn đóng, hoà khí cháy giãn nở làm cho nhiệt độ và áp suất trong xi lanh tăng mạnh, tác dụng lên đỉnh pít tông và đẩy pít tông từ ĐCT đến ĐCD, qua thanh truyền làm trục khuỷu quay tiếp 1/2 vòng (từ 360° đến 540°) và sinh công cơ học. Đây là kì duy nhất sinh công.

d) Kì thải (quá trình thải)

Pít tông chuyển động từ ĐCD đến ĐCT, trục khuỷu quay tiếp 1/2 vòng (từ 540° đến 720°). Xu páp nạp đóng, xu páp thải mở, khí thải trong xi lanh bị pít tông đẩy qua cửa thải và qua đường ống thải ra ngoài. Khi pít tông đến ĐCT, xu páp thải đóng, xu páp nạp mở, kì nạp của chu trình mới lại bắt đầu.

2. Nguyên lí làm việc của động cơ Diesel 4 kì

Nguyên lí làm việc của động cơ Diesel 4 kì gần giống với động cơ xăng 4 kì – pít tông cũng thực hiện bốn hành trình nạp, nén, nổ và thải. Tuy nhiên, có hai điểm khác biệt quan trọng:

• Ở kì nạp: Động cơ Diesel chỉ nạp không khí vào xi lanh (không phải hoà khí như động cơ xăng).
• Ở cuối kì nén: Nhiên liệu diesel được vòi phun phun vào xi lanh, hoà trộn với không khí có áp suất cao để tạo thành hoà khí. Khi đạt đến nhiệt độ và áp suất đủ lớn, hoà khí sẽ tự bốc cháy mà không cần tia lửa điện từ bu gi.

→ Vì vậy, động cơ Diesel không cần bu gi đánh lửa như động cơ xăng.

3. Nguyên lí làm việc của động cơ xăng 2 kì

Đặc điểm cấu tạo so với động cơ 4 kì:

Động cơ 2 kì sử dụng 3 cửa khí thay vì xu páp: cửa nạp, cửa quét và cửa thải. Pít tông ngoài nhiệm vụ nạp, quét, thải như ở động cơ 4 kì, còn đảm nhận thêm vai trò đóng mở các cửa khí (tương tự van trượt). Hỗn hợp không khí và nhiên liệu được nén trong các te để có áp suất cao trước khi vào xi lanh.

Do điều kiện làm việc khắc nghiệt hơn động cơ 4 kì, nhiên liệu được pha thêm một tỉ lệ nhỏ dầu bôi trơn để trong quá trình làm việc, dầu bôi trơn bám dính vào các bề mặt chi tiết cần bôi trơn.

a) Kì thứ nhất (pít tông đi từ ĐCT đến ĐCD)

Hoà khí đã được đốt cháy bởi tia lửa từ bu gi ở cuối kì nén (chu trình trước) sẽ cháy và giãn nở trong xi lanh, tạo áp suất cao đẩy pít tông dịch chuyển từ ĐCT đến ĐCD qua thanh truyền làm quay trục khuỷu sinh công. Khi pít tông mở cửa thải, khí cháy được thải ra tự do. Sau đó khi cửa quét được mở, hoà khí mới ở dưới các te có áp suất cao được nạp vào xi lanh qua cửa quét đồng thời quét khí đã cháy còn lại ra cửa thải.

→ Tóm lại: hành trình thứ nhất gồm các quá trình: cháy giãn nở, thải tự do, quét khí và nạp hoà khí mới.

b) Kì thứ hai (pít tông đi từ ĐCD đến ĐCT)

Quá trình quét khí và nạp hoà khí mới tiếp tục cho đến khi pít tông đóng cửa quét. Sau đó, giai đoạn lọt khí bắt đầu – môi chất trong xi lanh bị đẩy qua cửa thải ra ngoài. Quá trình nén bắt đầu khi pít tông đóng cửa thải cho tới khi bu gi bật tia lửa điện, sau đó xảy ra quá trình cháy. Khi pít tông đi lên, cửa nạp phía dưới pít tông mở để hoà khí mới được hút vào các te, chuẩn bị cho việc nạp hoà khí vào xi lanh ở hành trình sau.

→ Tóm lại: hành trình thứ hai gồm các quá trình: quét khí, lọt khí, nén và cháy, nạp hoà khí mới vào các te.

4. Nguyên lí làm việc của động cơ Diesel 2 kì

Chu trình làm việc của động cơ Diesel 2 kì tương tự động cơ xăng 2 kì (cũng gồm 2 hành trình pít tông), chỉ khác ở một số điểm:

• Khí nạp vào động cơ là không khí (không phải hoà khí hỗn hợp xăng và không khí). Trước khi vào động cơ, khí nạp được đi qua máy nén dẫn động cơ khí hoặc dẫn động bằng tua bin.
• Cuối quá trình nén, nhiên liệu diesel được vòi phun phun vào xi lanh, hoà trộn với khí nóng tạo thành hoà khí. Ở điều kiện áp suất và nhiệt độ trong xi lanh cao, hoà khí sẽ tự bốc cháy (không cần bu gi).

5. So sánh tổng hợp

III. Các thông số cơ bản của động cơ đốt trong

1. Công suất có ích ($N_e$)

Công suất có ích $N_e$ (kW) là công suất đo được ở đầu ra của trục khuỷu động cơ. Với $L_e$ (J) là công có ích của chu trình:

$$N_e = L_e \times \frac{i \times n}{30 \times \tau} \tag{18.6}$$

Trong đó: $i$ là số xi lanh, $\tau$ là số kì, $n$ (vòng/phút) là số vòng quay của động cơ.

Tuỳ phạm vi sử dụng, $N_e$ có giá trị từ vài kW đến hàng vạn kW. Ví dụ: động cơ xe máy có $N_e$ từ 5 ÷ 6 kW (6,7 ÷ 8 mã lực); động cơ tàu thuỷ lớn nhất thế giới có $N_e$ đạt tới 80 080 kW (107 390 mã lực).

2. Hiệu suất có ích ($\eta_e$)

Hiệu suất có ích $\eta_e$ là tỉ số giữa nhiệt lượng chuyển thành công suất có ích chia cho nhiệt lượng cấp cho động cơ do nhiên liệu đốt cháy bên trong xi lanh tạo ra:

$$\eta_e = \frac{N_e}{Q_{ct}} \tag{18.7}$$

Trong đó: $Q_{ct}$ (kJ/s) là nhiệt lượng của nhiên liệu cung cấp cho động cơ.

Tuỳ theo loại động cơ, $\eta_e$ thay đổi từ 15 ÷ 50%.

3. Mô men có ích ($M_e$)

Mô men có ích $M_e$ (Nm) là mô men xoắn gây ra các chuyển động quay của trục, thông số này đặc trưng cho khả năng chịu tải tức thời của động cơ đốt trong:

$$M_e = \frac{N_e \times 9{,}55}{n} \tag{18.8}$$

Trong đó: $N_e$ (W) là công suất có ích, $n$ (vòng/phút) là số vòng quay.

4. Suất tiêu thụ nhiên liệu có ích ($g_e$)

Suất tiêu thụ nhiên liệu có ích $g_e$ (g/kW.h) là lượng nhiên liệu tiêu thụ để tạo ra một đơn vị công suất động cơ trong một đơn vị thời gian:

$$g_e = \frac{G_{nl}}{N_e} \tag{18.9}$$

Trong đó: $G_{nl}$ (g/h) là lượng nhiên liệu tiêu thụ đo được trong một đơn vị thời gian, $N_e$ (kW) là công suất có ích.

→ Ý nghĩa: $g_e$ càng nhỏ, tức lượng nhiên liệu tiêu tốn để tạo ra 1 kW trong 1 giờ càng ít, nghĩa là động cơ càng tiết kiệm nhiên liệu.

B. Phương pháp giải các dạng bài tập

Dạng: Tính thể tích công tác của xi lanh và động cơ

Phương pháp giải:

• Xác định các đại lượng đã cho: đường kính xi lanh D, bán kính quay trục khuỷu R, số xi lanh i, thể tích công tác của động cơ $V_h$.
• Tính hành trình pít tông: $S = 2 \times R$
• Tính thể tích công tác 1 xi lanh: $V_s = \frac{\pi \times D^2}{4} \times S$
• Tính thể tích công tác động cơ: $V_h = V_s \times i$
• Hoặc ngược lại: nếu biết $V_h$ và số xi lanh i, suy ra $V_s = V_h / i$

Bài tập Luyện tập 1 (SGK trang 89): Tính thể tích công tác của một xi lanh khi biết thể tích công tác của động cơ 4 xi lanh là 2,4 lít.

Hướng dẫn trả lời:

Áp dụng công thức (18.4):

$$V_h = V_s \times i$$

Suy ra:

$$V_s = \frac{V_h}{i} = \frac{2{,}4}{4} = 0{,}6 \text{ (lít)}$$

Đáp số: Thể tích công tác của một xi lanh là 0,6 lít.

Bài tập Luyện tập 2 (SGK trang 89): Tính thể tích công tác của động cơ 4 xi lanh khi biết đường kính của mỗi xi lanh là 80 mm và bán kính quay của trục khuỷu là 75 mm.

Hướng dẫn trả lời:

Bước 1: Tính hành trình pít tông theo công thức (18.1):

$$S = 2 \times R = 2 \times 75 = 150 \text{ mm} = 1{,}5 \text{ dm}$$

Đổi đơn vị: D = 80 mm = 0,8 dm.

Bước 2: Tính thể tích công tác của 1 xi lanh theo công thức (18.2):

$$V_s = \frac{\pi \times D^2}{4} \times S = \frac{3{,}14 \times 0{,}8^2}{4} \times 1{,}5 = \frac{3{,}14 \times 0{,}64}{4} \times 1{,}5 = 0{,}75 \text{ (lít)}$$

Bước 3: Tính thể tích công tác của động cơ theo công thức (18.4):

$$V_h = V_s \times i = 0{,}75 \times 4 = 3 \text{ (lít)}$$

Đáp số: Thể tích công tác của động cơ là 3 lít.

Bài tập Luyện tập 3 (SGK trang 91): Động cơ Diesel có cần bu gi đánh lửa như động cơ xăng hay không? Nếu không thì tại sao nhiên liệu Diesel lại cháy được?

Hướng dẫn trả lời:

Động cơ Diesel không cần bu gi đánh lửa như động cơ xăng. Lí do: Ở cuối quá trình nén, nhiên liệu diesel được vòi phun phun vào trong xi lanh, hoà trộn với không khí có nhiệt độ cao tạo thành hoà khí. Ở điều kiện nhiệt độ và áp suất trong xi lanh rất cao (do quá trình nén), hoà khí sẽ tự bốc cháy mà không cần tia lửa điện.

Bài tập Luyện tập 4 (SGK trang 92): Tại sao nói suất tiêu thụ nhiên liệu có ích $g_e$ càng nhỏ thì động cơ đốt trong càng tiết kiệm nhiên liệu?

Hướng dẫn trả lời:

Suất tiêu thụ nhiên liệu có ích $g_e$ là lượng nhiên liệu tiêu thụ để tạo ra một đơn vị công suất động cơ trong một đơn vị thời gian. Vậy nếu $g_e$ càng nhỏ, tức lượng nhiên liệu tiêu tốn để tạo ra 1 kW trong 1 giờ càng ít → động cơ càng tiết kiệm nhiên liệu.

Bài tập Kết nối năng lực (SGK trang 91): Qua sách báo, internet và quan sát thực tế trong cuộc sống, em hãy cho biết các phương tiện cơ giới đường bộ như ô tô và xe máy thường sử dụng động cơ xăng hay động cơ Diesel.

Hướng dẫn trả lời:

Xe máy thường sử dụng động cơ xăng. Ô tô thường sử dụng cả động cơ xăng và động cơ Diesel (tuỳ dòng xe và mục đích sử dụng).

Bài tập Vận dụng (SGK trang 92): Quan sát, tìm hiểu và lựa chọn một phương tiện, máy móc của gia đình hoặc trong cộng đồng nơi em ở và cho biết: động cơ đốt trong được sử dụng là 2 hay 4 kì; nhiên liệu dùng cho động cơ là xăng hay dầu diesel.

Hướng dẫn trả lời:

Học sinh quan sát thực tế, có thể tham khảo gợi ý:

C. Sơ đồ tư duy

                          ┌─ Điểm chết (ĐCT, ĐCD)
                          ├─ Hành trình pít tông: S = 2R
              ┌─ I. KHÁI ─┼─ Thể tích buồng cháy (Vc)
              │  NIỆM     ├─ Thể tích công tác xi lanh (Vs)
              │  CƠ BẢN   ├─ Thể tích toàn phần: Va = Vc + Vs
              │            ├─ Thể tích công tác ĐC: Vh = Vs × i
              │            ├─ Tỉ số nén: ε = Va/Vc
              │            ├─ Chu trình công tác
              │            └─ Kì (4 kì / 2 kì)
              │
              │            ┌─ ĐC xăng 4 kì:
              │            │  Nạp → Nén → Nổ → Thải
              │            │  (bu gi đánh lửa)
              │            ├─ ĐC Diesel 4 kì:
  NGUYÊN LÍ  ├─ II. NLLV ─┤  Tương tự, nhưng nạp KK,
  LÀM VIỆC   │            │  vòi phun NL → tự cháy
  CỦA ĐCĐT   │            ├─ ĐC xăng 2 kì:
              │            │  Kì 1: cháy, thải, quét, nạp
              │            │  Kì 2: quét, lọt khí, nén, cháy
              │            └─ ĐC Diesel 2 kì:
              │               Tương tự xăng 2 kì, nhưng
              │               nạp KK, vòi phun NL → tự cháy
              │
              │            ┌─ Công suất có ích Ne (kW)
              └─ III.      ├─ Hiệu suất có ích ηe (15÷50%)
                 THÔNG SỐ ─┼─ Mô men có ích Me (Nm)
                 CƠ BẢN   └─ Suất tiêu thụ NL có ích ge
                              (g/kW.h) → càng nhỏ càng
                              tiết kiệm

ThS. Hồ Thị Thư

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Công Nghệ THPT

Trình độ: Cử nhân Sư phạm Công nghệ, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 10+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Hoàng Hoa Thám