Trong Bốn Thì Của Động Cơ Xảy Ra Những Gì Trong Một Giây?
Chia sẻ trang này
Trong động cơ bốn kỳ, một giây là một chuỗi cơ học dày đặc: piston thực hiện hàng chục chu kỳ đi-về đầy đủ giữa điểm chết trên và điểm chết dưới, các xupáp mở đóng với thời điểm hoàn hảo, và chỉ có một lần cháy tạo công duy nhất trong mỗi hai vòng trục khuỷu. Hút, nén, sinh công và xả: mỗi một trong bốn kỳ này tương ứng với đúng 180 độ của trục khuỷu, và động cơ càng chạy ở vòng tua cao thì một kỳ càng bị nén vào một phần giây nhỏ hơn.
Điểm nổi bật
- Một chu trình hoàn chỉnh 720°, tức là hai vòng của trục khuỷu; mỗi kỳ chiếm 180°.
- Công chỉ được tạo ra trong một trong bốn kỳ: mỗi 2 vòng có một kỳ sinh công.
- Bugi thường khởi phát tia lửa trước điểm chết trên khoảng 20° góc khuỷu.
- Động cơ đốt trong chỉ trung bình chuyển 40-45% năng lượng cung cấp thành công cơ học.
- Ở các động cơ công nghiệp, tốc độ trung bình của piston bị giới hạn khoảng 10 m/s.
Động cơ bốn kỳ hoạt động như thế nào: Bốn bước bên trong xi-lanh
Mọi thứ bắt đầu với định nghĩa "hành trình": hành trình là một lần đi đầy đủ của piston dọc theo xi-lanh theo bất kỳ hướng nào. Khi piston ở vị trí cao nhất là ở điểm chết trên (TDC), ở vị trí thấp nhất là ở điểm chết dưới (BDC). Chu trình bốn kỳ trải dài giữa hai điểm này qua bốn hành trình và hai vòng quay đầy đủ của trục khuỷu. Chuyển động thẳng của piston làm quay trục khuỷu thông qua thanh truyền; trục khuỷu quay 720 độ cho toàn bộ bốn kỳ.
Vai trò của các xupáp trong chu kỳ này là rất quan trọng. Các xupáp nạp và xả được điều khiển bởi một trục cam quay nhanh bằng một nửa tốc độ trục khuỷu. Tỷ lệ nửa tốc độ này không phải ngẫu nhiên mà là bắt buộc: vì các sự kiện xupáp cần được khóa theo góc khuỷu, trục cam theo mỗi chu trình bằng nửa vòng quay của trục khuỷu.
1. Nạp: Hút không khí vào với chân không cục bộ
Khi piston bắt đầu đi xuống từ điểm chết trên, xupáp nạp mở. Chuyển động đi xuống của piston làm tăng thể tích xi-lanh và tạo ra chân không cục bộ, tức áp suất âm bên trong. Chênh lệch áp suất này hút hỗn hợp không khí-nhiên liệu vào xi-lanh. Kỳ nạp là lần đi xuống đầy đủ của piston từ TDC đến BDC và chiếm 180 độ đầu tiên của chu trình.
2. Nén: Tập trung năng lượng
Tại điểm chết dưới, xupáp nạp đóng và quá trình nén bắt đầu. Bây giờ cả hai xupáp đều đóng; piston đi lên, nén hỗn hợp không khí-nhiên liệu vào thể tích hẹp của buồng cháy. Việc nén có hai chức năng: làm cho hơi nhiên liệu bay hơi nhiều hơn và giải phóng nhiều năng lượng hơn khi đốt cháy. Năng lượng tiêu tốn để nén chỉ bằng khoảng một phần tư năng lượng tạo ra khi cháy; nghĩa là khoản đầu tư này có lãi.
Đo tỷ lệ nén là một trong những cách nhanh nhất để hiểu tính cách của động cơ. Ở động cơ xăng, khoảng phổ biến là từ 6:1 đến 10:1; tỷ lệ càng cao thì hiệu suất càng tăng nhưng rủi ro tự cháy của xăng, tức là hiện tượng kích nổ, cũng tăng lên. Vì vậy, chỉ số octan của xăng chính là thước đo khả năng chống tự cháy: octan càng cao, tỷ lệ nén càng lớn được phép sử dụng.
3. Công suất: Thời điểm duy nhất trong chu trình tạo ra công việc hữu ích
Gần cuối kỳ nén, khoảng 20 độ góc trục khuỷu trước điểm chết trên, bugi tạo tia lửa. Tại sao không phải ngay đúng điểm chết? Vì mặt lửa cần thời gian để lan truyền xuyên qua buồng đốt; tia lửa được đánh sớm để đỉnh áp suất hình thành đúng lúc piston ở đỉnh, tạo ra lực đẩy hiệu quả. Hỗn hợp cháy đẩy piston xuống phía BDC, tạo ra công cơ học quay trục khuỷu. Trong suốt chu trình, chỉ có thời điểm này tạo ra công; bất kể số xi-lanh bao nhiêu, mỗi động cơ bốn kỳ nhận một kỳ công suất mỗi 720 độ. Bí quyết giúp các động cơ nhiều xi-lanh chạy êm ái chính là việc hòa trộn các kỳ công suất này trên trục khuỷu.
4. Xả: Trút bỏ buồng đốt
Khi piston đến điểm chết dưới, van xả mở ra và trong 180 độ cuối của chu trình, piston đi lên đẩy khí thải ra ngoài qua cổ xả. Khi đến điểm chết trên, xi-lanh đã được làm sạch, van nạp sẵn sàng mở lại và chu trình bắt đầu từ đầu. Mỗi lần xi-lanh được nạp đầy nghĩa là chu kỳ hai vòng quay được thiết lập lại.
Vòng tua tăng lên thì một kỳ kéo dài bao lâu?
Câu trả lời được tìm thấy bằng phép tính số học thuần túy. Vì một chu trình vận hành kéo dài hai vòng quay trục khuỷu, tốc độ động cơ quyết định trực tiếp thời lượng của một kỳ. Ví dụ, ở 1.000 vòng/phút, động cơ thực hiện khoảng 16,7 vòng mỗi giây; một chu trình đầy đủ mất khoảng 60 mili giây, tức một kỳ chỉ kéo dài 15 mili giây. Ở 6.000 vòng/phút, có 100 vòng mỗi giây và mỗi kỳ, kể cả kỳ công suất, giảm xuống khoảng 2,5 mili giây. Quá trình cháy, chuyển động van và dòng khí đều phải được tổ chức theo các thước đo này.
Vật lý cũng quyết định trần vòng tua. Tốc độ piston trung bình là hàm của hành trình piston và vòng tua; trong các động cơ công nghiệp, tốc độ này bị giới hạn khoảng 10 m/s để không làm hỏng lớp dầu bôi trơn thành xi-lanh. Ở vòng tua cao, hai vấn đề điển hình xuất hiện: nếu lò xo van không theo kịp sẽ xảy ra hiện tượng "van bay", và va chạm giữa piston và van có thể gây hư hại nghiêm trọng cho động cơ. Ngoài ra, hiện tượng vòng găng rung lắc có thể dẫn đến mất áp suất xi-lanh và giảm công suất. Nói ngắn gọn, giới hạn về việc trong một giây bao nhiêu phần nhỏ có thể được nén lại được định hình bởi độ bền vật liệu và sự bôi trơn.
Xăng hay dầu: Cùng một chu trình, cách đánh lửa khác nhau
Các bước của chu trình bốn kỳ giống nhau ở cả hai loại động cơ; điểm khác biệt nằm ở phương pháp đánh lửa khởi động kỳ công suất. Động cơ xăng dùng đánh lửa bằng tia lửa: bugi đốt cháy hỗn hợp đã được nén. Động cơ dầu dùng đánh lửa bằng nén; nhiệt độ cao tạo ra do nén sẽ tự đốt cháy nhiên liệu dầu diesel vốn có thể tự bùng cháy dưới áp suất bên trong động cơ, nên không cần bugi. Xu hướng bắt lửa của dầu diesel được xác định bằng chỉ số cetane; hoạt động theo logic ngược lại với chỉ số octan của xăng. Do khả năng bay hơi thấp của diesel, phương pháp khởi động lạnh phổ biến nhất là sử dụng bugi nung.
| Đặc điểm | Động cơ xăng | Động cơ diesel |
|---|---|---|
| Kích nổ | Kích nổ bằng tia lửa (bugi) | Kích nổ bằng nén (nhiệt độ nén) |
| Chu trình | Chu trình Otto | Chu trình Diesel |
| Thước đo khả năng chống kịch nhiên liệu | Chỉ số octan | Chỉ số cetan (cetane) |
| Tỉ số nén | Điển hình 6:1 - 10:1 | Cao, thuận lợi cho kích nổ bằng nhiệt độ nén |
| Đặc tính vòng tua | Hoạt động ở vòng tua cao hơn | Hoạt động ở vòng tua thấp hơn; nhiên liệu cháy chậm hơn |
Việc nhiên liệu diesel cháy chậm hơn xăng giải thích tại sao động cơ diesel hoạt động ở vòng tua thấp hơn; vòng tua thấp còn làm giảm mài mòn động cơ. Vì vậy, sự khác biệt về tính cách của hai loại động cơ không bắt nguồn từ bản thân chu trình, mà từ tốc độ cháy của nhiên liệu.
Công nghệ hiện đại cải thiện 720 độ này như thế nào?
Chu trình cơ bản chưa thay đổi từ năm 1876; thay vào đó là cách mỗi khoảng 180 độ được sử dụng hiệu quả hơn. Ba công nghệ hiện đại nổi bật.
Thời điểm van biến thiên (VVT)
Trục cam cố định chỉ tối ưu hóa các sự kiện van trong một dải vòng tua duy nhất. Thời điểm van biến thiên điều chỉnh thời điểm nhấc van theo thời gian thực dựa trên vòng tua động cơ, mang lại phân bổ công suất tối ưu và sự tăng tốc mượt mà hơn. Quản lý hỗn hợp không khí-nhiên liệu tốt hơn giúp cải thiện hiệu suất đốt cháy; cải thiện mức tiết kiệm nhiên liệu lên đến 5% đã được đo trong điều kiện tải một phần.
Phun xăng trực tiếp (GDI)
Trong hệ thống phun trực tiếp được sử dụng trên nhiều động cơ xăng bốn kỳ ngày nay, vòi phun hướng vào buồng đốt và xăng được phun vào xi-lanh dưới áp suất rất cao trong suốt kỳ nén khi piston ở vị trí đỉnh. Nói cách khác, nhiên liệu không còn được cung cấp ở kỳ nạp nữa mà được cung cấp chính xác từng milimet ở khoảng quan trọng nhất của chu trình.
Tăng áp turbin: Trích lấy sức mạnh từ kỳ xả
Turbo là một cụm tua-bin hai phần tốc độ cao nằm ở cửa xả: một bên được nuôi dòng khí xả, bên kia nén không khí nạp. Kỳ xả phần lớn mang theo năng lượng bị lãng phí; vì turbo hoạt động nhờ áp suất này nên nó vận hành hiệu quả hơn và ép nhiều không khí hơn vào xi-lanh, giúp mỗi kỳ làm việc tạo ra nhiều công suất hơn. Trong một nghiên cứu về turbo biến thiên, công suất đầu ra được cải thiện 165% so với loại hút khí tự nhiên. Hạn chế đã biết của thiết kế là độ trễ turbo: công suất không đến ngay lập tức mà cần sự tăng vòng tua và áp suất; ở chế độ không tải và tốc độ thấp-trung bình, động cơ hoạt động gần như như hút khí tự nhiên.
Trần hiệu suất và một chút lịch sử
Một động cơ đốt trong chỉ có thể chuyển đổi trung bình 40-45% năng lượng cung cấp thành công cơ học; các động cơ chu trình Otto hiệu quả nhất hoạt động ở hiệu suất nhiệt khoảng 30% và phần nhiệt còn lại bị mất đi do ma sát và các phụ kiện. Hơn nữa, các động cơ có thể được cố ý chế tạo với hiệu suất thấp hơn một chút cho các biện pháp kiểm soát khí thải như bộ chuyển đổi xúc tác. Chu trình Atkinson đem lại hiệu suất nhưng đánh đổi bằng mật độ công suất, và được sử dụng trong các ứng dụng hybrid hiện đại; nhiều động cơ hiện đại đạt được mức tiết kiệm này bằng thời điểm mở van phi truyền thống nhằm tạo ra hiệu ứng nén ngắn và hành trình sinh công dài.
Lịch sử cũng rất dễ dạy: Khi thử nghiệm động cơ Lenoir vào năm 1861, Otto nhận ra tác động của việc nén lên hiệu suất; năm 1876, Otto và Langen đã tạo ra động cơ đốt trong thành công đầu tiên nén hỗn hợp nhiên liệu trước khi đốt. Năm 1883, Daimler và Maybach chế tạo động cơ Otto tốc độ cao đầu tiên, và năm 1885, Daimler sản xuất phương tiện động cơ đốt trong đầu tiên trên thế giới với Daimler Reitwagen; năm 1886, Karl Benz phát triển phương tiện của mình với động cơ bốn thì, được coi là chiếc ô tô đầu tiên. Động cơ diesel là sự tinh chỉnh kỹ thuật của chu trình Otto năm 1876: Rudolf Diesel tạo ra động cơ thành công của mình vào năm 1893. Ngày nay, thiết kế bốn thì là kiến trúc động cơ đốt trong phổ biến nhất của các phương tiện giao thông đường bộ, trải rộng từ ô tô đến xe tải, từ tàu hỏa diesel đến máy bay hạng nhẹ và xe máy.
Kết luận: Bốn Phân đoạn 180 Độ
Toàn bộ vật lý của động cơ bốn thì có thể được quy giản thành bốn phân đoạn, chia cho một vòng 720 độ của trục khuỷu: đổ đầy bằng chân không, nén trong thể tích kín, quá trình đốt sinh công một lần và xả sạch. Các công nghệ như thời điểm mở van, phun nhiên liệu và turbo đều phục vụ cùng một mục tiêu; là để khai thác thêm hiệu suất từ từng mili giây của những phân đoạn này. Khi nguyên lý cơ bản này được làm rõ, phần còn lại của công nghệ động cơ, từ tỷ số nén đến độ trễ turbo, sẽ trở nên dễ đọc hiểu hơn nhiều.