Cấu tạo nguyên lý động cơ diesel 4 kỳ một xi lanh

1. Sơ đồ cấu tạo

        Hình sau giới thiệu cấu tạo động cơ diesel bốn kỳ một xi lanh, động cơ diesel bao gồm các cơ cấu và hệ thống như động cơ xăng bốn kỳ một xi lanh nhưng khác nhau ở hai điểm sau: Hệ thống nhiên liệu: gồm bơm cao áp và vòi phun, không có hệ thống đánh lửa.

Sơ đồ cấu tạo động cơ diesel bốn kỳ

Động cơ diesel sử dụng nhiên liệu diesel. Nó tạo ra công suất cao ở tốc độ thấp và có cấu tạo vững chắc. Tính kinh tế nhiên liệu tốt hơn so với động cơ xăng.

Sự khác biệt giữa động cơ xăng và động cơ diesel

Ngoài sự khác nhau về loại nhiên liệu mà động cơ sử dụng, động cơ xăng và diesel còn sử dụng những cơ cấu khác nhau:

Động cơ diesel không được trang bị hệ thống đánh lửa có bugi. Thay vào đó, nhiệt sinh ra trong quá trình nén sẽ làm cho nhiên liệu tự bốc cháy. Vì vậy tỷ số nén được đặt cao hơn. 

Để hỗ trợ cho khả năng khởi động của động cơ, động cơ diesel có một hệ thống sấy sơ bộ sử dụng bugi sấy để sấy nóng khí nạp.  

Động cơ diesel có một bơm nhiên liệu và các vòi phun để phun nhiên liệu vào trong buồng cháy ở áp suất cao

Buồng cháy

A. Loại xoáy lốc 

B. Loại phun trực tiếp 

1. Buồng cháy chính ; 2. Bugi sấy 

3. Vòi phun; 4. Buồng xoáy lốc; 5. Khe thông.

Buồng cháy bao bồm khoảng không tạo bởi giữa píttông, thân máy và nắp quylát. 

Động cơ diesel dựa trên hiện tượng tự bốc cháy do nhiệt trong kỳ nén của không khí nạp để tạo nên sự cháy, nó yêu cầu một lượng lớn không khí. Do đó, động cơ không có bướm ga. 

2. Chu trình làm việc lý thuyết

Sơ đồ cho thấy động cơ có buồng cháy loại xoáy lốc.

 1. Xupáp nạp; 2. Xupáp xả; 3. Vòi phun; 

 4. Buồng cháy; 5. Píttông; 6. Thanh truyền; 7. Trục khuỷu

Chu trình làm việc của động cơ diesel bốn kỳ cũng giống như động cơ xăng bốn kỳ, nghĩa là pit tông cũng thực hiện bốn hành trình nạp, nén, nổ và xả, nhưng trong động cơ diesel bốn kỳ quá trình nạp và nén là không khí (mà không phải hoà khí) và nhiên liệu tự cháy khi tiếp xúc với không khí có nhiệt độ cao (mà không dùng tia lửa điện).

Chu trình làm việc của động cơ diesel bốn kỳ như sau:

a. Kỳ nạp

       Trong hành trình này, khi trục khuỷu quay từ (0° đến 180°), pit tông sẽ dịch chuyển từ ĐCT xuống ĐCD, xu páp nạp mở, Xu páp xả đóng, thể tích công tác trong xi lanh tăng, áp suất trong xi lanh giảm, không khí từ bên ngoài qua bầu lọc được hút vào xi lanh.

Cuối hành trình nạp, áp suất và nhiệt độ của không khí trong xi lanh là:

            P = 0,08 – 0,095 MPa

            T = 40 – 700°C

b. Hành trình nén

        Trong hành trình này, trục khuỷu quay (từ 180° đến 360°), pit tông chuyển động từ ĐCD lên ĐCT, xu páp nạp và xu páp xả đều đóng, thể tích công tác trong xi lanh giảm dần, không khí trong xi lanh bị nén và áp suất, nhiệt độ của nó tăng lên.

Cuối hành trình nén, áp suất và nhiệt độ của không khí bị nén trong xi lanh là:

            P = 4 – 5 MPa

            T = 450 – 6500°C

 c. Kỳ nổ (cháy giãn nở, sinh công)

       Trong hành trình này, xu páp nạp và xu páp xả vẫn đóng, khi pit tông đến ĐCT vòi phun nhờ bơm cao áp sẽ phun nhiên liệu  vào xi lanh để hỗn hợp với không khí có nhiệt độ cao, rồi tự cháy, khí cháy giãn nở tác dụng lên đỉnh pit tông và đẩy pit tông từ ĐCT xuống ĐCD, qua thanh truyền làm trục khuỷu quay từ (360° đến 540°) sinh công.

Cuối hành trình cháy và bắt đầu quá trình giãn nở, áp suất và nhiệt độ của khí cháy trong xi lanh là:

            P = 0,2 – 0,4 MPa

           T = 800 – 10000°C

d. Kỳ xả 

Trong hành trình này , trục khuỷu quay (từ 540° đến 720°), pit tông chuyển động từ ĐCD lên ĐCT, xu páp nạp đóng và xu páp xả mở, khí cháy trong xi lanh bị đẩy qua cửa xả, qua ống xả ra ngoài.

Cuối hành trình xả, áp suất và nhiệt độ của khí xả trong xi lanh là:

P = 0,11 – 0,12 MPa

T = 400 – 6000°C

Khi pit tông đến ĐCT xu páp xả đóng lại kết thúc kỳ xả, một chu trình làm việc mới lại tiếp diễn như trên.

Chu trình làm việc của động cơ diesel bốn kỳ

3. Chu trình làm việc thực tế của động cơ xăng và diesel bốn kỳ

Chu trình làm việc lý thuyết của động cơ xăng và động cơ diesel bốn kỳ là một hành trình làm việc tương ứng với một hành trình của pit tông và trục khuỷu quay 180°. Nghĩa là các xu páp nạp và xu páp xả được đóng, mở khi pit tông tại các điểm chết, nhưng chu trình làm việc thực tế của động cơ khác với chu trình làm việc lý thuyết là các xu páp nạp và xu páp xả mở sớm, đóng muộn và bugi  sẽ đánh lửa sớm hoặc vòi phun phun sớm nhiên liệu. Mục đích để tăng công suất của động cơ.

Chu trình làm việc thực tế của động cơ xăng và động cơ diesel bốn kỳ như sau:

Trên đồ thị phối khí hình dưới biểu thị góc quay của trục khuỷu tương ứng với các hành trình làm việc thực tế của động cơ.

a. Kỳ nạp

Trong hành trình này, khi pit tông lên gần tới ĐCT cuối kỳ xả của chu trình trước, xu páp nạp mở để khi pit tông vừa tới ĐCT, tức là lúc bắt đầu nạp, thì xu páp nạp đã mở tương đối lớn làm cho tiết diện lưu thông trên đường ống nạp tăng, bảo đảm hoà khí hoặc không khí vào xi lanh nhiều hơn, Góc quay của trục khuỷu tương ứng với thời điểm xu páp nạp mở cho tới khi pit tông tới ĐCT gọi là góc mở sớm của xu páp nạp (á1). Đồng thời xu páp nạp cũng được đóng muộn hơn một chút sau khi pit tông đã qua ĐCD để lợi dụng độ chân không còn lại trong xi lanh và quán tính của dòng khí, làm tăng thêm lượng hoà khí hoặc không khí vào xi lanh. Góc quay của trục khuỷu tương ứng với thời điểm pit tông tại ĐCD cho tới khi xu páp nạp đóng gọi là góc đóng muộn của xu páp nạp (á ).

Kỳ nạp thực tế trục khuỷu quay một góc là: a1 + 180° + a2  

b.  Kỳ nén 

Quá trình nén thực tế chỉ bắt đầu khi xu páp nạp đã đóng hoàn toàn, tức là hoà khí hoặc không khí trong xi lanh đã cách ly với môi trường bên ngoài. 

Cuối hành trình nén, bu gi  của hệ thống đánh lửa phóng tia lửa điện để đốt cháy hoà khí hoặc vòi phun của hệ thống nhiên liệu sẽ phun nhiên liệu và xi lanh và tự cháy. Góc quay của trục khuỷu tương ứng với thời điểm bu gi đánh lửa hay vòi phun phun nhiên liệu đến khi pit tông lên tới ĐCT được gọi là góc đánh lửa sớm hoặc góc phun nhiên liệu sớm của động cơ (ă).

Kỳ nén thực tế, trục khuỷu quay một góc: 180° - a2 - γ

c.  Kỳ nổ

Trong hành trình này, do hoà khí (động cơ xăng) hoặc nhiên liệu (động cơ diesel) đã được đốt cháy ở cuối quá trình nén, nên khi pit tông vừa tới ĐCT, thì tốc độ cháy của hoà khí hoặc nhiên liệu càng nhanh, làm cho áp suất của khí cháy tăng lên rất lớn. Quá trình cháy sẽ kết thúc và quá trình giãn nở của khí cháy cũng bắt đầu, pit tông bị đẩy đi xuống và sinh công. 

Trước khi kết thúc hành trình nổ hay sinh công, xu páp xả đã được mở sớm một chút trước khi pit tông tới ĐCD, góc quay của trục khuỷu tương ứng với thời điểm xu páp xả mở cho đến khi pit tông xuống đến ĐCD gọi là góc mở sớm của xu páp xả (á3).

Kỳ nổ thực tế trục khuỷu quay một góc là: 180° + γ - a3

Sơ đồ pha phối khí của động cơ bốn kỳ

d.  Kỳ xả

Do xu páp xả mở sớm trước khi pit tông tới ĐCD nên áp suất trong xi lanh giảm nhanh, do đó giảm được công tiêu hao để đẩy khí cháy ra khỏi xi lanh và lượng khí cháy trong xi lanh được đẩy sạch ra, nhờ đó tăng được lượng hoà khí hoặc không khí vào xi lanh. Đồng thời để xả sạch khí cháy ra khỏi xi lanh, xu páp xả cũng được đóng muộn hơn một ít sau khi pit tông đã đi qua ĐCT. Góc quay của trục khuỷu ứng với thời điểm pit tông tại ĐCT cho đến khi xu páp xả đóng gọi là góc đóng muộn của xu páp xả (a4 ). 

Kỳ xả thực tế, trục khuỷu quay tương ứng với góc 180° + a3 + a4 

Trên đồ thị biểu thị thời kỳ trùng điệp của xu páp nạp và xu páp xả, tức là thời kỳ cả hai xu páp này cùng mở, góc ứng với góc (á1+ á4 ) gọi là ”góc trùng điệp ” của xu páp nạp và xu páp xả.