Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của động cơ nhiều xi lanh

I.   KHÁI NIỆM
         Qua nghiên cứu chu trình làm việc của động cơ bốn kỳ một xi lanh ta thấy một chu trình làm việc của động cơ bốn kỳ pit tông phải thực hiện bốn hành trình ứng với hai vòng quay của trục khuỷu. Trong bốn hành trình thì chỉ có một hành trình sinh công còn các hành trình tiêu hao công suất của động cơ nên làm cho trục khuỷu quay không đều, động cơ làm việc bị rung động mạnh. Muốn trục khuỷu quay đều và động cơ làm việc êm phải dùng bánh đà có kích thước và trọng lượng nhất định lắp trên trục khuỷu. Vì vậy, để tăng công suất của động cơ, làm cho trục khuỷu quay đều và giảm được kích thước và trọng lượng của bánh đà người ta thường chế tạo động cơ nhiều xi lanh. Số xi lanh của động cơ có thể là : hai, bốn, sáu, tám ...

a. Các xi lanh bố trí một hàng
b. Các xi lanh bố trí hai hàng chữ V
c. Cách đánh số xi lanh trong động cơ tám xi lanh hình chữ V 1 đến 8 là số thứ tự xi lanh

         Khi chế tạo động cơ nhiều xi lanh, phải tính toán sao cho sau hai vòng quay của trục khuỷu, tất cả các xi lanh đều có một lần sinh công. Thời điểm sinh công của các xi lanh không được trùng nhau và phải cách đều nhau để động cơ làm việc ổn định. Vì vậy, hình dáng trục khuỷu, đặc biệt là góc lệch công tác của trục khuỷu có ảnh hưởng nhiều đến quá trình làm việc của động cơ. Góc lệch công tác của trục khuỷu là ”góc hình học giũa hai khuỷu trục tương ứng với hai cổ biên của hai xi lanh có kỳ sinh công kế tiếp nhau”. 

Góc lệch công tác có thể được xác định như sau:

Ö = ô . 3600/ i (độ)

Trong đó: ô – Số kỳ làm việc của động cơ. 

Động cơ bốn kỳ ô = 2

Động cơ hai kỳ ô = 1

  i – Số xi lanh của động cơ.

II.   CHU TRÌNH LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ NHIỀU XI LANH

        Chu trình làm việc của động cơ nhiều xi lanh là quá trình luân chuyển các kỳ công tác giống nhau giữa các xi lanh trên động cơ theo một thứ tự nhất định.

Sau đây là một số ví dụ về góc lệch khuỷu và thứ tự làm việc của các xi lanh ở một số động cơ nhiều xi lanh.

1. Động cơ bốn kì, bốn xi lanh

a. Sơ đồ cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền.

Sơ đồ cơ cấu trục khuỷu động cơ bốn kỳ, bốn xi lanh

          Trục khuỷu của động cơ bốn kỳ, bốn xi lanh có các cổ biên nằm trong một mặt phẳng, cổ biên 1 và cổ biên 4 cách cổ biên 2 và cổ biên 3 một góc 1800. Khi trục khuỷu quay, pit tông của cổ biên 1 và cổ biên 4 đi lên ĐCT thì pit tông của cổ biên 2 và cổ biên 3 đi xuống ĐCD. Do kết cấu trục khuỷu như vậy, nên thứ tự làm việc của động cơ là 1- 2 - 4 - 3 hoặc 1 - 3 - 4 – 2.

b. Bảng thứ tự nổ của động cơ

          Để nghiên cứu sự làm việc của động cơ  bốn kỳ, bốn xi lanh, ta lập bảng thứ tự nổ của nó với thứ tự nổ của động cơ là 1 - 3 - 4 – 2.

Góc lệch công tác là:

Bảng 1. Thứ tự nổ của động cơ bốn kỳ, bốn xi lanh, thứ tự nổ 1 - 3 - 4 – 2

         Qua bảng 1 ta thấy, khi trục khuỷu quay được nửa vòng quay thứ nhất, tức là từ 0° – 180°, pit tông của xi lanh 1 đi từ ĐCTxuống ĐCD thực hiện kỳ nổ (sinh công), trong khi đó pit tông 4 cũng dịch chuyển từ ĐCTxuống ĐCD nhưng thực hiện kỳ nạp hoà khí (động cơ xăng) học không khí (động cơ diesel ). Pit tông của xi lanh 2 và xi lanh 3 đều dịch chuyển từ ĐCD lên ĐCTnhưng pit tông của xi lanh 2 thực hiện kỳ xả còn pit tông của xi lanh 3 thực hiện kỳ nén.

         Khi trục khuỷu quay tiếp nửa vòng quay thứ hai, tức là từ 1800 – 3600, pit tông của xi lanh 1  và xi lanh 4 dịch chuyển từ ĐCD lên ĐCT, pit tông của xi lanh 1 thực hiện xả, của xi lanh 4 thực hiện nén. Pit tông của xi lanh 2 và xi lanh 3 đều dịch chuyển từ ĐCTlên ĐCD nhưng pit tông của xi lanh 2 thực hiện kỳ nạp còn pit tông của xi lanh 3 thực hiện kỳ nổ (sinh công).

Khi trục khuyủ quay tiếp nửa vòng quay thứ ba, tức là từ 360° – 540°, trong xi lanh 1 nạp và xi lanh 2 nén, xi lanh 3 xả, xi lanh 4 nổ (sinh công).

         Khi trục khuỷu quay tiếp nửa vòng quay thứ tư, tức là từ 540° – 720°, trong xi lanh 1 thực hiện kỳ nén, xi lanh 2 nổ (sinh công), xi lanh 3 nạp và xi lanh 4 xả.

Như vậy, khi trục khuỷu quay hết hai vòng, tức là từ 00 – 720°, mỗi xi lanh của động cơ đều hoàn thành một chu trình làm việc gồm (nạp, nén, nổ và xả). Khi trục khuỷu quay tiếp, các hành trình mới lại diễn ra lần lượt theo thứ tự trên.

2. Động cơ bốn kì, sáu xi lanh thẳng hàng

a. Sơ đồ trục khuỷu 

     Trục khuỷu có sáu cổ khuỷu trục, được bố trí lệch nhau 1200 và theo thứ tự cổ khuỷu 1 và 6 hướng lên trên, cổ 2 và 6 hướng sang bên trái, cổ 3 và 4 hướng sang bên phải (nhìn đầu trục khuỷu lại ) ta có sơ đồ trục khuỷu như sau:

b. Bảng thứ thự nổ của động cơ

Ta lập bảng cho động cơ với thứ tự nổ là: 1 - 5 - 3 – 6 – 2 – 4 

     Góc lệch công tác của động cơ bốn kỳ sáu xi lanh là:

Sơ đồ trục khuỷu động cơ bốn kỳ sáu xi lanh

Ta xét nửa vòng quay thứ nhất của trục khuỷu, tức là từ 0  →180°.

Trong xi lanh thứ nhất, pit tông chuyển động từ ĐCTxuống ĐCD thực hiện kỳ nổ. Pit tông của xi lanh 6 cũng chuyển động từ ĐCTxuống ĐCD nhưng thực hiện kỳ nạp.

Trong xi lanh 2 và xi lanh 5, pit tông chuyển động hết 2/3 hành trình lên ĐCT sau đó chuyển động 1/3 hành trình đi xuống ĐCD. Xi lanh 2 kết thúc kỳ xả và bắt đầu kỳ nạp, xi lanh 5 kết thúc kỳ nén và bắt đầu sang kỳ nổ (sinh công).

Trong xi lanh 3 và xi lanh 4, pit tông chuyển động hết 2/3 hành trình đi xuống ĐCD và tiếp tục 1/3 hành trình đi lên, xi lanh 4 kết thúc kỳ nổ (sinh công) và sang kỳ xả.

Trong ba nửa vòng quay tiếp theo của trục khuỷu, ở mỗi xi lanh đều thực hiện các kỳ: nạp, nén, nổ, xả. Khi trục khuỷu quay hết nửa vòng quay thứ tư, thì tất cả các xi lanh đều hoàn thành một chu trình công tác của động cơ.

Nếu trục khuỷu tiếp tục quay thì tất cả các kỳ đều được thực hiện lặp lại theo thứ tự như trên.

Tóm lại, trong trường hợp này, các xi lanh làm việc kế tiếp nhau với góc lệch công tác là 120° hay 2/3 vòng quay của trục khuỷu. Do đó, các hành trình của pit tông không bắt đầu và kết thúc cùng một lúc mà các hành trình sinh công hoặc nổ trùng nhau một góc là 60°. Nghĩa là: khi trục khuỷu quay, xi lanh 1 sinh công chưa xong, trục khuỷu còn phải quay 60° nữa mới xong hành trình sinh công thì xi lanh 5 đã bắt đầu sinh công, nghĩa là chậm hơn xi lanh 1 là 120°, xi lanh 5 sinh công chưa xong thì xi lanh 3 đã sinh công v.v… Do đó, trục khuỷu của động cơ sáu xi lanh quay đều hơn động cơ bốn xi lanh.

Bảng 2. Thứ tự nổ của động cơ bốn kỳ, sáu xi lanh, thứ tự nổ (1 – 5 – 3 – 6 – 2 – 4)

3. Động cơ bốn kì, tám xi lanh bố trí hình chữ V

a. Sơ đồ cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền

Trong động cơ tám xi lanh bố trí hình chữ V, các xi lanh được sắp xếp thành hai dãy, mỗi dãy 4 xi lanh, tâm của xi lanh đi qua tâm của trục khuỷu. Đường tâm của hai dãy xi lanh đặt lệch nhau 90°.

Trục khuỷu có bốn cổ khuỷu, mỗi cổ khuỷu được lắp hai thanh truyền, các thanh truyền được sắp xếp từng đôi vào hai mặt phẳng vuông góc và một đôi tạo thành một góc 180°. Nếu nhìn từ đầu trục khuỷu thì các cổ khuỷu được sắp xếp như sau:

Cổ khuỷu 1 và 4 là một đôi – 1 ở phía trên và 4 ở phía dưới

Cổ khuỷu 2 và 3 là một đôi – 2 ở bên phải và 3 ở bên trái.

Ở mỗi xi lanh, các pit tông chuyển động ngược chiều nhau và tới các điểm chết cùng một lúc.

Sơ đồ trục khuỷu của động cơ bốn kỳ, tám xi lanh bố trí hình chữ V

Do đặt hai dãy xi lanh lệch nhau 90°, nên một pit tông của xi lanh nằm ở một điểm chết nào đấy thì pit tông của xi lanh bên cạnh (cùng cổ khuỷu) sẽ ở điểm giữa hành trình. Vì vậy, các kỳ xảy ra ở dãy xi lanh bên phải sẽ lệch 1/4 so với các kỳ của dãy xi lanh bên trái.

b. Bảng thứ tự nổ của động cơ

Động cơ bốn kỳ, tám xi lanh bố trí hình chữ V, thứ tự nổ : 1 - 5 - 4 - 2- 6 - 3 - 7- 8.

Góc lệch công tác của động cơ là:

Ta xét nửa vòng quay thứ nhất.

Ở dãy xi lanh bên phải thứ tự chuyển tiếp các kỳ như sau:

• Ở nửa vòng quay thứ nhất của trục khuyủ.

- Trong xi lanh 1 pit tông chuyển động từ ĐCT xuống ĐCD thực hiện kỳ nổ, còn trong xi lanh 4 pit tông dịch chuyển từ ĐCD lên ĐCTthực hiện kỳ nén.

- Trong xi lanh 2, từ 1/2 hành trình đầu pit tông chuyển động xuống ĐCD để kết thúc hành trình nạp, sau đó lại dịch chuyển 1/2 hành trình từ ĐCD lên để bắt đầu thực hiện kỳ nén.

- Trong xi lanh 3, pit tông xuất phát từ điểm giữa hành trình chuyển động lên ĐCT, khi đến ĐCT pit tông lại chuyển động tiếp xuống 1/2 hành trình nữa để kết thúc xả và thực hiện 1/2 hành trình nạp.

• Đối với hàng xi lanh bên trái, thứ tự chuyển tiếp các kỳ cũng tương tự như hàng xi lanh bên phải nhưng lệch đi một góc 90° (ứng với 1/4 góc quay của trục khuỷu).

Bảng 3. Bảng thứ tự nổ của động cơ tám xi lanh bố trí hình chữ V