Trong suất quá trình hình thành và phát triển của động cơ đốt trong, có lẽ cái tên Nikolaus Otto là một trong những cái tên được nhắc đến nhiều nhất, là cha đẻ của chu trình Otto với động cơ 4 kỳ, loại động cơ phổ biến nhất hiện nay. Và dù được cải tiến và phát triển hàng ngày, động cơ đốt trong hiện nay vẫn hoạt động theo nguyên lý của chu trình Otto. Trong bài viết này, chúng ta hãy cùng tìm hiểu về 4 kỳ của động cơ đốt trong theo chu trình Otto.
Gồm 4 kỳ sau:
- Kỳ nạp
- Kỳ nén
- Kỳ cháy-giãn nở
- Kỳ thải
Kỳ nạp
Kỳ nạp được thực hiện chủ yếu do piston chuyển động từ điểm chết trên (ĐCT) đến điểm chết dưới (ĐCD) tạo ra sự chênh áp chân không, do đó môi chất được hút vào xilanh.
Về nguyên tắc, người ta sử dụng các biện pháp có thể để nạp được nhiều khí nạp mới, đốt được nhiều nhiên liệu, nhằm tận dụng khả năng động cơ để phát ra công suất cao. Để đánh giá chất lượng quá trình nạp, người ta đưa ra thông số hệ số nạp ηv. Do tổn thất khí động qua xupap nạp, do khí sót trong xylanh giãn nở ở đầu quá trình nạp và do môi chất được sấy nóng bởi khí sót và các chi tiết có nhiệt độ cao trong xylanh nên thông thường ηv<1.
Kỳ nén
Piston tiếp tục chuyển động hướng tới ĐCT từ ĐCD. Từ điểm xupap nạp đóng trở đi, môi chất thực sự được nén. Trong quá trình nén, nhiệt độ và áp suất trong xylanh tăng dần. Giữa môi chất và các chi tiết trong xylanh diễn ra quá trình trao đổi nhiệt rất phức tạp. Để đơn giản trong tính toán, người ta coi quá trình nén là quá trình đa biến. Để đánh giá khả năng nén, người ta sử dụng thông số tỷ số nén ε.
Cuối quá trình nén, trước ĐCT, nhiên liệu có áp suất cao được phun sớm vào buồng cháy qua vòi phun đối với động cơ diesel để hòa trộn với không khí thành hỗn hợp. Còn đối với động cơ xăng là bugi đánh tia lửa điện sớm để đốt cháy hỗn hợp. Trên đồ thị pha ứng với góc phun sớm (động cơ diesel) và góc đánh lửa sớm (động cơ xăng).
Kỳ cháy-giãn nở
- Quá trình cháy
Bản chất của quá trình cháy là quá trình oxy hóa nhiên liệu, phản ứng này tỏa nhiệt. Sau 1 khoảng thời gian rất ngắn chuẩn bị, tính từ lúc bắt đầu phun nhiên liệu (động cơ diesel) hay bắt đầu bật tia lửa điện (động cơ xăng) đến khi quá trình cháy thật sự diễn ra. Giai đoạn này gọi là thời kỳ cháy trễ.
- Trong động cơ diesel, do hỗn hợp hình thành bên trong xilanh nên đầu tiên phần hỗn hợp được chuẩn bị và tích tụ trong giai đoạn cháy trễ sẽ cháy rất nhanh (gọi là giai đoạn cháy nhanh), tốc độ tăng áp suất rất lớn, tạo ra tiếng gõ đanh rất đặc thù của động cơ diesel. Tiếp đó là giai đoạn cháy chính vừa chuẩn bị hỗn hợp vừa cháy nên cháy từ từ hơn. Vì thế, chu trình làm việc của động cơ diesel giống chu trình cấp nhiệt hỗn hợp.
- Động cơ xăng, do hỗn hợp được chuẩn bị bên ngoài xylanh nên khi vào trong xylanh, hỗn hợp có thành phần tương đối đồng đều, do đó phần lớn cháy rất nhanh ở giai đoạn cháy chính (sau thời gian cháy trễ). Vì thế, chu trình làm việc của động cơ xăng gần giống chu trình cấp nhiệt đẳng tích.
Tuy nhiên, ở cả 2 loại động cơ, sau khi cháy, phần lớn hỗn hợp quá trình cháy còn tiếp tục với tốc độ cháy nhỏ kéo dài trên đường giãn nở do cháy nốt phần hỗn hợp chưa cháy gọi là cháy rớt. Cháy rớt chỉ làm nóng các chi tiết, hiệu quả sử dụng nhiệt thấp nên người ta cố gắng nghiên cứu và áp dụng các biện pháp để hạn chế cháy rớt như chọn góc phối khí, góc đánh lửa hay phun sớm thích hợp, tận dụng xoáy lốc của môi chất của quá trình nạp để hoàn thiện quá trình nạp và tăng tốc độ cháy ….
Tổng quát lại các giai đoạn cháy:
- Diesel: 4 giai đoạn Trễ – Nhanh – Chính – Rớt
- Xăng: 3 giai đoạn Trễ – Chính – Rớt
- Quá trình giãn nở
Tiếp theo quá trình cháy là quá trình giãn nở sinh công. Thực ra đầu quá trình giãn nở còn có quá trình cấp nhiệt do cháy rớt. Mặt khác còn có hiện tượng trao đổi nhiệt giữa môi chất với thành vách các chi tiết. Vì vậy quá trình giãn nở là quá trình nhiệt động phức tạp. Tương tự như quá trình nén, người ta coi gần đúng đây là 1 quá trình đa biến.
Kỳ thải
Sau kỳ cháy-giãn nở, piston đi lên ĐCT nên khí cháy được thải cưỡng bức qua xupap ra ngoài. Do tổn thất khí động qua xupap thải, áp suất trong xylanh ở kỳ thải cao hơn áp suất trên đường thải Pt. Nếu áp suất Pt càng cao, công đẩy trong kỳ thải càng lớn, mặt khác khí sót càng nhiều sẽ làm bẩn môi chất của chu trình tiếp theo. Vì vậy người ta cố gắng tìm cách để giảm Pt như chọn góc mở sớm xupap thải và thiết kế đường thải hợp lý.
Các góc đóng mở xupap cần phải biết:
- Góc mở sớm, góc đóng muộn xupap nạp
- Góc mở sớm, góc đóng muộn xupap thải
- Góc trùng điệp: cả hai xupap đều mở
Tóm lại, chu trình hoạt động của chu trình Otto bao gồm 4 kỳ nạp, nén, cháy-giãn nở và thải tương ứng với quãng đường di chuyển của piston được trình bày ở trên. Và để tối ưu hóa, những giải pháp như chọn góc mở sớm, góc đóng muộn xupap nạp, thải,… được đưa ra. Hy vọng bài viết giúp bạn hiểu rõ hơn về chu trình Otto.
