Giáo trình Động cơ đốt trong

TRƯỜNG CĐ GIAO THÔNG VẬN TẢI 
KHOA KỸ THUẬT Ô TÔ 
------ 
BÀI GIẢNG MÔN HỌC 
ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 
 Tác giả: Trần Hoàng Luân 
Lưu hành nội bộ, năm 2012
1 
MỞ ĐẦU 
1.1. Giới thiệu 
 Động cơ đốt trong (ĐCĐT) là nguồn động lực chính để dẫn động cho các phương 
tiện giao thông vận tải, trong đó phổ biến nhất là dẫn động cho ôtô chuyển động. Hiện 
nay về cơ bản động cơ sử dụng trên xe ôtô là động cơ đốt trong kiểu piston, nhiên liệu 
sử dụng chính là xăng hoặc diesel. 
ĐCĐT chiếm vị trí quan trọng trong quá trình cơ giới hóa sản xuất trong lĩnh vực 
giao thông vận tải (đường bộ, đường sắt, đường thủy, hàng không, ), nông nghiệp 
(máy nông nghiệp, máy tuốt lúa, ), lĩnh vực lâm nghiệp, xây dựng, công nghiệp  
Ngoài ra, ĐCĐT có tác dụng tương hỗ với nhiều lĩnh vực khác: cơ khí, điện, điện 
tử, điều khiển tự động, vật liệu kim loại và phi kim loại, vật liệu mới, xăng dầu,  
Hiện nay, nhiều loại động cơ khác đang nghiên cứu và chế tạo như động cơ điện, 
tuốc bin nước, động cơ chạy bằng nhiên liệu khí, năng lượng mặt trời  nhưng vẫn 
chưa được sản xuất hàng loạt vì còn khuyết điểm là giá thành chế tạo cao, kích thước 
không nhỏ gọn, không tiện dụng  Vì vậy, ĐCĐT dùng nhiên liệu lỏng (xăng và diesel) 
vẫn chiếm vai trò quan trọng và hiện nay vẫn đang được sử dụng rất phổ biến. 
1.2. Các định nghĩa 
 - Động cơ nhiệt là loại thiết bị thực hiện việc đổi năng lượng ở dạng hóa năng 
thành nhiệt năng (bằng cách đốt cháy nhiên liệu) và từ nhiệt năng chuyển thành cơ năng 
để sinh công dẫn động máy công tác. 
 Động cơ nhiệt làm việc theo hai quá trình: 
(1) Đốt cháy nhiên liệu dạng đặc, lỏng hoặc khí để sinh nhiệt. 
(2) Môi chất công tác thay đổi trạng thái để sinh công. 
 - Động cơ đốt trong: Hai quá trình trên xảy ra trong cùng một nơi. Nhiệt năng đạt 
được bằng sự đốt cháy nhiên liệu bên trong động cơ. Nhiệt năng tích trữ trong khí cháy 
có nhiệt độ và áp suất cao đẩy piston đi xuống làm quay trục khuỷu động cơ và truyền 
mômen ra ngoài cho thiết bị khác công tác. 
 - Động cơ đốt ngoài: Hai quá trình nêu trên xảy ra ở hai nơi. Quá trình (1) ở bên 
ngoài động cơ. Nhiên liệu được đốt cháy bên ngoài động cơ, trong một một lò đốt riêng. 
Nhiệt sinh ra đun sôi nước tạo hơi nước có nhiệt độ và áp suất cao. Hơi nước này sau đó 
được đưa vào trong xilanh động cơ đẩy piston chuyển động tịnh tiến và làm quay trục 
khuỷu hoặc làm quay cánh tuabin (trong tuabin hơi nước). 
 - So sánh động cơ đốt trong và động cơ đốt ngoài: 
Nội dung so sánh Động cơ đốt trong Động cơ đốt ngoài 
Hiệu suất Cao (30% ÷ 45%) Thấp ( 12%) 
T (0C) môi chất Cao (2530 0C) Thấp ( 700 0C) 
Cùng công suất Ne 
Gọn, nhẹ và không có các thiết bị nồi 
hơi, bộ ngưng tụ và bộ quá nhiệt 
Nặng nề, cồng kềnh vì phải 
có các thiết bị phụ  
Quá trình khởi động 
Phải trang bị hệ thống khởi động do 
động cơ không tự khởi động được 
Động cơ tự khởi động khi áp 
lực hơi đủ lớn 
Thời gian khởi động 3 ÷ 5 giây Nhiều giờ 
Làm mát Dùng ít nước Tốn nhiều nước 
Nhiên liệu Đắt tiền Rẻ tiền 
Công suất đông cơ Công suất bị giới hạn ( 37.000 kW) 
Công suất động cơ tuabin hơi 
nước có thể trên 20.000kW 
2 
 Ngoài ra, ĐCĐT còn có một số nhược điểm khác như khá ồn, đặc biệt là động cơ 
cao tốc, khí thải chứa nhiều chất độc hại gây ô nhiễm môi trường. Để hạn chế bớt nhược 
điểm này, động cơ được trang bị các bộ tiêu âm, bộ trung hòa hoặc bộ lọc sạch khí xả 
tại đường thải, thậm chí ở cả đường nạp cũng lắp bộ tiêu âm. 
 Hiện nay, ĐCĐT kiểu piston dùng nhiên liệu truyền thống như xăng và Diesel 
vẫn là nguồn động lực chính trên ôtô vì các ưu điểm sau: 
 Hiệu suất sử dụng nhiên liệu (hiệu suất nhiệt) tương đối cao. 
 Có độ tin cậy cao và độ ổn định cao. 
 Đáp ứng linh hoạt các chế độ hoạt động thường xuyên thay đổi của xe như: gia 
tốc nhanh, quá tải tốt, 
 Kích thước và trọng lượng tương đối nhỏ nên dễ bố trí, lắp đặt trên xe. 
 Nạp nhiên liệu nhanh. 
 Lưu trữ và bảo quản nhiên liệu trên xe đơn giản. 
 Chi phí chế tạo ban đầu thấp. 
 Dễ bảo trì và chi phí bảo trì thấp. 
 Tuy nhiên, ĐCĐT là một trong những nguyên nhân chính gây ô nhiễm như: 
 Gây hại cho môi trường sống vì sự đốt cháy nhiên liệu gốc hóa thạch tạo ra khí 
độc. 
 Làm tăng nhiệt độ khí quyển. 
 Phá hủy tầng ozone. 
 Lệ thuộc vào xăng và Diesel nên đã dẫn đến nguy cơ cạn kiệt nguồn dầu mỏ 
một cách nhanh chóng. 
 Vì vậy, tìm kiếm nguồn nhiên liệu khác thay thế các loại nhiên liệu truyền thống, 
cải tiến các hệ thống và giảm thiểu sự ô nhiễm môi trường từ ĐCĐT là những việc mà 
các nhà nghiên cứu và các hãng sản xuất đang thực hiện. 
 Định nghĩa các thông số hình học cơ bản của động cơ đốt trong. 
 Điểm chết: là vị trí cuối cùng của piston khi chuyển động một hành trình trong 
xilanh. Tại vị trí này vận tốc của piston bằng không và piston bắt đầu đổi chiều 
chuyển. 
 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:  ... .................................................................................. 45 
Hình 4.17. Các loại ống dẫn hướng. ........................................................................................ 46 
Hình 4.18. Cấu tạo trục cam. ................................................................................................... 46 
Hình 4.19: Điều chỉnh khe hở nhiệt ......................................................................................... 47 
Hình 4.20: Ví trí các xupáp và cơ cấu điều chỉnh .................................................................... 48 
Hình 5.1. Hệ thống bôi trơn trên động cơ. ............................................................................... 50 
Hình 5.2. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống bôi trơn bằng vung tóe. ............................................ 52 
Hình 5.3. Sơ đồ nguyên lý hệ thống bôi trơn cacte ướt. ............................................................ 53 
Hình 5.4. Sơ đồ hệ thống bôi trơn cacte khô. ........................................................................... 53 
Hình 5.5. Cấu tạo bơm bánh răng ăn khớp ngoài. ................................................................... 55 
Hình 5.6. Cấu tạo bơm bánh răng ăn khớp trong. ................................................................... 55 
Hình 5.7. Bơm phiến trượt (bơm cánh quạt). ........................................................................... 55 
Hình 5.8. Cấu tạo bầu lọc thô. ................................................................................................. 56 
Hình 5.9. Kết cấu bình lọc tinh. ................................................................................................ 56 
Hình 5.10. Bộ làm mát dầu ....................................................................................................... 57 
Hình 5.11. Đồng hồ đo nhiệt độ dầu ........................................................................................ 57 
Hình 5.12. Đồng hồ đo áp suất dầu bôi trơn. ........................................................................... 58 
Hình 5.13. Sơ đồ nguyên lý đo áp suất dầu bằng cảm biến. .................................................... 58 
Hình 5.14. Đèn báo nguy áp suất dầu. ..................................................................................... 59 
Hình 6.1. Đồ thị suất tiêu hao nhiên liệu, độ mòn xilanh với nhiệt độ làm việc của động cơ. 61 
Hình 6.2. Sơ đồ làm mát bằng không khí. ................................................................................ 62 
Hình 6.3. Hệ thống làm mát bằng nước kiểu bốc hơi. .............................................................. 63 
Hình 6.4. Hệ thống làm mát bằng nước đối lưu tự nhiên. ........................................................ 63 
Hình 6.5. Hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức một vòng kín. ............................................ 64 
Hình 6.6. Hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức hai vòng. .................................................. 65 
Hình 6.7. Hệ thống làm mát một vòng hở. ............................................................................... 65 
Hình 6.8. Cấu tạo của két nước. ............................................................................................... 67 
Hình 6.9. Các dạng ống của két nước. ..................................................................................... 67 
Hình 6.10. Kết cấu nắp két nước. ............................................................................................. 67 
Hình 6.11. Nắp két nước được tháo ra từ cổ rót nước vào bộ tản nhiệt. ................................. 68 
Hình 6.12. Bơm nước kiểu ly tâm. ............................................................................................ 68 
Hình 6.13. Van hằng nhiệt. ....................................................................................................... 69 
Hình 6.14. Chế độ làm việc của van hằng nhiệt kiểu xốp. ....................................................... 69 
Hình 6.15. Các kiểu van hằng nhiệt. ........................................................................................ 70 
Hình 6.16. Quạt cơ khí. ............................................................................................................ 70 
Hình 6.17. Một số chất lỏng dùng cho động cơ ô tô. ............................................................... 72 
 190 
Hình 8.1. Chu trình lý tưởng của ĐCĐT. ................................................................................. 88 
Hình 8.2. Chu trình lý tưởng hỗn hợp. ...................................................................................... 90 
Hình 8.3. Chu trình đẳng tích. .................................................................................................. 91 
Hình 8.4. So sánh các chu trình lý tưởng của ĐCĐT trên cơ sở đồ thị T-S, (hình a cùng  và 
Q1, hình b cùng áp suất cực đại và Q1). ................................................................................... 92 
Hình 8.5. Phần đồ thị công của quá trình thay đổi môi chất trong động cơ 4 kỳ. ................... 93 
Hình 8.6. Sơ đồ tính toán áp suất Pa. ....................................................................................... 94 
Hình 8.7. Ảnh hưởng của ∆T tới nhiệt độ Ta (Tk = 2880K ; γr = 0,06 và T = 10000K). ........... 96 
Hình 8.8. Mối quan hệ giữa hệ số nạp ηv và tỷ số nén ε. .......................................................... 99 
Hình 8.9. Ảnh hưởng của tốc độ dòng khí W qua supap nạp tới hệ số nạp ηv. ........................ 99 
Hình 8.10. Ảnh hưởng của nhiệt độ sấy nóng khí nạp mới ∆T tới hệ số nạp ηv. .................... 100 
Hình 8.11. Minh họa ảnh hưởng của các góc phối khí đến quá trình thay đổi khí ở động cơ bốn kỳ. 101 
Hình 8.12. Phần đồ thị công của quá trình thay đổi khí trong động cơ 2 kỳ. ........................ 103 
Hình 8.13. Đồ thị biến thiên áp suất Px trong xilanh động cơ 2 kỳ. ...................................... 103 
Hình 8.14. Đường cong biểu diễn trạng thái của môi chất công tác trong quá trình nén. .... 104 
Hình 8.15. Sự thay đổi của Pc và n1 theo số vòng quay. ........................................................ 106 
Hình 8.16. Ảnh hưởng của tải trọng tới n1. ............................................................................ 107 
Hình 8.17. Quá trình cháy của động cơ xăng đốt cháy cưỡng bức. ....................................... 109 
Hình 8.18: Cháy kích nổ a/ đồ thị P – V; b/ đồ thị P – . ................................................... 110 
Hình 8.19. Quá trình cháy sớm. ............................................................................................. 110 
Hình 8.20. Ảnh hưởng của thành phần hòa khí α tới tốc độ lan màng lửa u. ........................ 112 
Hình 8.21. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm tới quá trình cháy. ......................................... 112 
Hình 8.22. Đồ thị khai triển quá trình cháy ở động cơ diesel. ............................................... 114 
Hình 8.23. Ảnh hưởng của số xêtan tới tới quá trình cháy. ................................................... 116 
Hình 8.24. Ảnh hưởng của góc phun sớm θ tới φi, Pz và ∆P/∆φ. ........................................... 117 
Hình 8.25. Đồ thị công P – V của quá trình giãn nở. ............................................................. 119 
Hình 8.26. Sự thay đổi chỉ số giãn nở đa biến trung bình n2 của động cơ Zil – 130 theo số 
vòng quay trục khuỷu khi mở van tiết lưu ở vị trí khác nhau. ................................................ 120 
Hình 8.27. Sự thay đổi của n2 và áp suất cuối quá trình giãn nở theo phụ tải. ..................... 121 
Hình 8.28. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của van chân không điều khiển bằng nhiệt ......... 124 
Hình 8.29. Hoạt động của hệ thống EGR khi động cơ lạnh, nhiệt độ nước làm mát dưới 500C. ....... 124 
Hình 8.30. Hoạt động của hệ thống EGR khi động cơ ở chế độ không tải, bướm ga đóng hoàn. ...... 125 
Hình 8.31. Hoạt động của hệ thống EGR khi động cơ ở tải nhỏ và tải lớn, bướm ga nằm giữa 
cửa EGR và cửa R. ................................................................................................................. 125 
Hình 8.32. Hoạt động của hệ thống EGR khi cửa “R” của van điều biến chân không EGR mở 
bởi bướm ga ............................................................................................................................ 126 
Hình 8.33. Hoạt động của hệ thống EGR khi bướm ga mở hoàn toàn. ................................. 126 
Hình 8.34. Vị trí van PVC trên động cơ. ................................................................................ 127 
Hình 8.35. Chế độ làm việc của van PVC. ............................................................................. 127 
Hình 8.36. Bộ lọc khí xả liền khối. ......................................................................................... 127 
Hình 8.37. Sơ đồ khối hệ thống xúc tác oxy hoá. ................................................................... 128 
Hình 8.38. Quan hệ giữa tỷ lệ làm sạch NOx, CO và HC với tỷ lệ hỗn hợp. ......................... 128 
Hình 9.1. Đồ thị công P – V của chu trình thực tế. ................................................................ 131 
Hình 9.2. Đặc tính tốc độ của động cơ. .................................................................................. 134 
Hình 9.3. Khuynh hướng biến thiên của v theo tốc độ n. ..................................................... 135 
Hình 9.4. Biến thiên của m theo tốc độ n của ĐC xăng. ....................................................... 136 
Hình 9.5. Biến thiên của Pe và Me theo tốc độ n của ĐC xăng. ............................................. 136 
Hình 9.6. Đặc tính tốc độ của ĐC dùng BCHK. .................................................................... 137 
Hình 9.7. Biến thiên của m theo tốc độ n của ĐC diesel. ..................................................... 138 
Hình 9.8. Đặc tính tốc độ của ĐC diesel. ............................................................................... 139 
Hình 9.9. Các đặc tính điều chỉnh thành phần hòa khí. ......................................................... 140 
Hình 9.10. Đặc tính điều chỉnh góc phun sớm ở n = 1.800 v/ph và toàn tải. ........................ 141 
 191 
Hình 10.1. Tăng áp dẫn động bằng cơ khí. ............................................................................ 144 
Hình 10.2. Tăng áp dẫn động bằng tuabin khí. ...................................................................... 144 
Hình 10.3. Sơ đồ nguyên lý động cơ tăng áp tuabin khí dẫn động bằng năng lượng khí thải. .......... 145 
Hình 10.4. Sơ đồ nguyên lý động cơ tăng áp hỗn hợp hai tầng lắp nối tiếp. ......................... 146 
Hình 11.1. Sơ đồ cơ cấu piston – khuỷu trục – thanh truyền giao tâm. ................................. 150 
Hình 11.2. Phương pháp đồ thị Brich và cách triển khai trên tọa độ -x. ........................... 153 
Hình 11.3. Giải tốc độ bằng đồ thị. ........................................................................................ 154 
Hình 11.4. Giải gia tốc bằng đồ thị. ....................................................................................... 155 
Hình 11.5. Cơ cấu piston –khuỷu trục – thanh truyền lệch tâm. ............................................ 157 
Hình 11.6. Hệ lực khi thay thế thanh truyền bằng hệ tương đương một khối lượng. ............. 160 
Hình 11.7. Phân bố khối lượng thanh truyền bằng hệ tương đương hai khối lượng. ............ 161 
Hình 11.8. Phân bố khối lượng của khuỷu trục. ..................................................................... 162 
Hình 11.9. Đồ thị công P – V và đồ thị công triển khai P . ............................................. 165 
Hình 11.10. Chiều tác dụng và dấu của lực quán tính chuyển động tịnh tiến. ...................... 165 
Hình 11.11. Hệ lực tác dụng trên cơ cấu piston – trục khuỷu – thanh truyền giao tâm ........ 167 
Hình 11.12. Sơ đồ kết cấu trục khuỷu của động cơ 4 kỳ, 6 xilanh. ........................................ 168 
Hình 11.13. Diễn biến các hành trình trong các xilanh của động cơ 4 kỳ 6 xilanh. .............. 169 
Hình 11.14. Đồ thị vectơ phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu. .................................................. 170 
Hình 11.15. Đồ thị triển khai vecto phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu. .................................... 171 
Hình 12.1. Sơ đồ cân bằng lực quán tính chuyển động tịnh tiến cấp I. ................................. 175 
Hình 12.2. Cơ cấu cân bằng Lăng-set-chơ-rơ dùng cân bằng lực Pj1 và Pj2. ........................ 176 
Hình 12.3. Sơ đồ cân bằng lực quán tính chuyển động quay. ................................................ 176 
Hình 12.4. Sơ đồ lực quán tính của động cơ hai xilanh có δ = 3600. .................................... 177 
Hình 12.5. Sơ đồ động cơ hai xilanh có góc lệch hai trục khuỷu δ = 1800. ........................... 178 
Hình 12.6. Sơ đồ trục khuỷu của động cơ 4 kỳ 3 xilanh, thứ tự làm việc 1-2-3. .................... 179 
Hình 12.7. Sơ đồ trục khuỷu động cơ 4 kỳ 4 xylanh, thứ tự làm việc 1 – 3 – 4 – 2. ............... 181 
Hình 12.8. Sơ đồ trục khuỷu động cơ 4 kỳ 6 xylanh, thứ tự làm việc 1 – 5 – 3 – 6 – 2 – 4. ... 182 
 192 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Nguyễn Tất Tiến – Nguyên lý động cơ đốt trong – NXB Giáo Dục Hà Nội 2008 
[2] Dương Văn Đức – Ô tô – NXB Xây Dựng Hà Nội 2006 
[3] Phạm Minh Tuấn – Động cơ đốt trong – NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội 2006 
[4] Văn Thị Bông, Huỳnh Thành Công – Lý thuyết Động cơ đốt trong – NXB Đại 
học Quốc gia TP.Hồ Chí Minh 
[5] Bùi Văn Ga – Quá trình cháy trong động cơ đốt trong - NXB Khoa học kỹ thuật 
- 2002. 
[6] Bùi Văn Ga – Ôtô và ô nhiễm môi trường – NXB Giáo dục -1999. 
[5] Pham Minh Tuan, Nguyen The Luong, Tran Quang Vinh, Tran Đang Quoc, Le 
Anh Tuan -Evaluation of effect on reducing emission of EMITEC three-way 
catalytic converter used for motorcycles - Inter. Conference organized by VR, 
Hanoi, November 5, 2006. 
[6] Pham Minh Tuan, Le Anh Tuan, Hoang Minh Duc - Simulation of turbocharged 
diesel engine D1146TIS designed and manufactured by VEAM - Science and 
Technology Magazine Nr. 61, Hanoi, 2007. 
 [7] Tim Gilles - Automotive Engines diagnosis - Repair and Rebuilding 6th Edition – 
Santa Barbara City College – 2009 
[8] The Internal Combustion Engine in Theory and Practice - The M.I.T press 
(Masachusettes Institute of Technology) – 1998 
[9] Advanced Engine Technology - London Roal Institute of Technology - 1999 
[10] A. Kolchin, A. Demidov - Design of Automotive Engines - Mir Publishers 
Moscow. 
[11] Internal Combustion Engine Modeling - 1995. 
[12] Advanced Engine Technology - London Roal Institute of Technology - 1999. 
[13] Diesel-In-Line Fuel-Injection Pumps, Bosch. 
[14] Heywood - Internal Combustion Engine Fundamental - Mc Graw-Hill - 1998.