1.1.1. Khái quát về cơ khí động lực

a. Cấu tạo chung hệ thống cơ khí động lực

– Hệ thống cơ khí động lực thường bao gồm nguồn động lực, hệ thống truyền động và máy công tác được liên kêt với nhau như hình

b. Một số máy móc thuộc lĩnh vực cơ khí động lực

– Một số máy móc thuộc lĩnh vực giao thông

+ Phương tiện giao thông rất đa dạng, phục vụ vận chuyển con người và hàng hóa.

+ Các phương tiện giao thông cơ khí động lực phổ biến: ô tô, xe máy, tàu hoả, tàu thủy,…

– Một số máy móc thuộc lĩnh vực xây dựng

+ Máy xây dựng giúp nâng cao năng suất và giải phóng sức lao động của con người.

+ Một số máy xây dựng phổ biến gồm máy đào, máy ủi, và máy đầm.

1.1.2. Một số ngành nghề liên quan đến cơ khí động lực

a. Thiết kế kĩ thuật cơ khí động lực

– Thiết kế kỹ thuật cơ khí động lực là công việc xây dựng bản vẽ, tính toán và mô phỏng sản phẩm cơ khí động lực (hình 16.1).

– Người làm nghề này cần kiến thức về cơ khí, máy động lực và phần mềm CAD, CAE.

– Nghề này đòi hỏi kiến thức khoa học chuyên sâu và đào tạo chuyên ngành.

– Công việc thiết kế thường thực hiện tại phòng thiết kế của các viện nghiên cứu và nhà máy sản xuất.

b. Chế tạo máy, thiết bị cơ khí động lực

– Chế tạo máy cơ khí động lực là công việc gia công, chế tạo các máy móc cơ khí động lực (hình 16.2).

– Người làm nghề này cần kiến thức chuyên môn và đào tạo tay nghề về gia công cơ khí.

– Một số lĩnh vực chế tạo phổ biến như:

+ Động cơ đốt trong, động cơ phản lực,…

+ Các hệ thống truyền lực, thân vỏ, khung, gầm… của ô tô, tàu thủy, máy bay…

+ Máy bơm, hệ thống thủy lực,…

– Công việc chế tạo được thực hiện chủ yếu tại các phân xưởng, nhà máy sản xuất.

c. Lắp ráp máy, thiết bị cơ khí động lực

– Lắp ráp máy cơ khí động lực là công việc tạo thành cụm lắp ráp hoặc máy hoàn chỉnh (hình 16.3).

– Người làm nghề này cần kiến thức, kinh nghiệm và năng lực vận hành máy, thiết bị cơ khí động lực.

– Công việc lắp ráp thực hiện tại các dây chuyền lắp ráp của nhà máy sản xuất.

d. Bảo dưỡng, sửa chữa máy, thiết bị cơ khí động lực

– Bảo dưỡng, sửa chữa máy cơ khí động lực là công việc kiểm tra, chẩn đoán, sửa chữa, thay thế, điều chỉnh các bộ phận của máy, thiết bị cơ khí động lực (hình 16.4).

– Công việc bảo dưỡng, sửa chữa máy, thiết bị cơ khí động lực gồm bảo dưỡng nhằm phòng chống hư hỏng và sửa chữa nhằm khắc phục hư hỏng của chi tiết máy.

– Người làm nghề này cần kiến thức, kinh nghiệm, kỹ năng và khả năng phát hiện và khắc phục lỗi, hỏng hóc của máy, thiết bị.

– Công việc bảo dưỡng, sửa chữa thường xuyên và định kỳ được thực hiện tại các trạm hoặc phân xưởng bảo dưỡng.

1.2.1. Khái quát về động cơ đốt trong

a. Khái niệm, phân loại

– Khái niệm

+ Động cơ đốt trong là loại động cơ nhiệt, thực hiện quá trình đốt cháy nhiên liệu và biến động nhiệt thành công cơ học trong xylanh động cơ.

+ Động cơ đốt trong quan trọng trong các lĩnh vực như giao thông, xây dựng, nông nghiệp, năng lượng…

– Phân loại: Động cơ đốt trong được phân loại dựa vào nhiều dấu hiệu đặc trưng khác nhau, phổ biến như sau:

+ Theo nhiên liệu sử dụng.

+ Theo chu trình công tác.

+ Theo phương pháp làm mát.

+ Theo số xylanh.

+ Theo cách bố trí xylanh của động cơ nhiều xylanh.

b. Cấu tạo chung động cơ đốt trong

– Động cơ đốt trong có cấu tạo chung gồm các cơ cấu và hệ thống

1.2.2. Nguyên lí làm việc của động cơ đốt trong

a. Một số thuật ngữ cơ bản

– Điểm chết

+ Điểm chết là vị trí tại đó piston đổi chiều chuyển động.

+ Có hai điểm chết là điểm chết trên (ĐCT) và điểm chết dưới (ĐCD).

+ĐCT là vị trí piston ở xa tâm trục khuỷu nhất.

+ ĐCD là vị trí piston ở gần tâm trục khuỷu nhất.

– Hành trình piston là quãng đường của piston di chuyển giữa hai điểm chết.

– Thể tích xylanh là không gian bên trong xylanh được giới hạn bởi đỉnh piston, xylanh và nắp máy.

– Tỉ số nén là tỉ số giữa thể tích toàn phần và thể tích buồng cháy, kí hiệu là ε

– Chu trình công tác: Động cơ đốt trong làm việc lặp đi lặp lại bốn quá trình: nạp, nén, cháy – giãn nở và thải. 

– Kì là một phẩn cua chu trình công tác khi pít tông di chuyển được một hành trình.

b. Nguyên lí làm việc của động cơ 4 kì 

– Cấu tạo chung của động cơ 4 kì

+ Động cơ 4 kì có 1 chu trình công tác, bao gồm 4 quá trình tương ứng với 2 vòng quay trục khuỷu.

+ Cấu trúc động cơ xăng 4 kì và động cơ Diesel 4 kì giống nhau, khác nhau chỉ ở bố trí bugi và vòi phun

– Nguyên lí làm việc của động cư Diesel 4 kì

+ Kì nạp

. Pít tông đi từ ĐCT đến ĐCD, Xupap nạp mở, Xupap thải đóng.

. Thể tích xilanh tăng khi pít tông đi xuống, áp suất trong xilanh giảm. 

. Không khí từ đường ống nạp thông qua cửa nạp đi vào xilanh động cơ.

+ Kì nén

. Pít tông đi từ ĐCD đến ĐCT (hình 18.4b), cả hai Xupap khí đều đóng.

. Áp suất và nhiệt độ trong xilanh tăng do pít tông nén khí khi đi lên.

. Vào cuối giai đoạn nén, vòi phun phun nhiên liệu vào xilanh để tạo thành hỗn hợp khí nhiên liệu và khí oxy và tự bốc cháy.

+ Kì cháy – giãn nở

. Pít tông đi từ ĐCT đến ĐCD, cả hai xu páp vẫn đóng. 

. Hoà khí cháy tạo áp suất và nhiệt độ trong xilanh tăng. 

. Khí cháy đẩy pít tông đi xuống và thực hiện giãn nở sinh công.

+ Kì thải

. Pít tông đi từ ĐCD đến ĐCT, đẩy khí thải qua ống xả.

. Kết thúc quá trình xả, Xupap thải đóng lại. Xupap nạp mở ra để thực hiện chu trình làm việc tiếp theo.

– Về nguyên lí, động cơ xăng 4 kì làm việc tương tự động cơ Diesel 4 kì. Tuy nhiên, có sự khác biệt như sau:

+ Ở kì nạp, khí nạp vào xilanh là hỗn hợp không khí và nhiên liệu (động cơ xăng) hoặc không khí (động cơ phun xăng trực tiếp).

+ Cuối kì nén, bugi đánh lửa để đốt cháy hoà khí trong xilanh.

c. Nguyên lí làm việc của động cơ 2 kì

– Cấu tạo chung của động cơ 2 kì

+ Động cơ 2 ki có chu trình công tác tương ứng với hai hành trình cua pít tông.

+ Động cơ 2 kì có nhiều loại.

– Nguyên lí làm việc động cơ xăng 2 kì

+ Kì 1: Hành trình pít tông đi từ ĐCT đến ĐCD

+ Kì 2: Pít tông đi từ ĐCD đến ĐCT

– Nguyên lí làm việc động cơ Diesel 2 kì

+ Nguyên lí làm việc của động cơ Diesel 2 ki giống với động cơ xăng 2 kì, khác biệt như đã trình bày ở động cơ 4 kì.

+ Động cơ Diesel 2 ki không dùng cacte tạo khí quét, mà sử dụng máy nén khí để nạp khí vào xilanh động cơ.

1.2.3.  Thân máy và các cơ cấu của động cơ đốt trong

a. Thân máy và nắp máy

– Thân máy và nắp máy là chi tiết cố định chứa hầu hết các cơ cấu và hệ thống của động cơ.

– Nắp máy và xilanh, pit tông tạo thành buồng đốt.

– Cấu tạo

+ Thân máy:

. Thân máy phụ thuộc vào số xilanh, cách làm mát và bố trí cơ cấu và hệ thống.

. Thân máy chia thành thân xilanh và hộp trục khuỷu.

. Thân xilanh có cấu tạo khác nhau ở thân xilanh và thường được làm rời để tiết kiệm kim loại và tăng tính chống mòn.

+ Nắp máy

. Nắp máy phụ thuộc vào hình dạng buồng cháy, đường nạp và đường thải, cũng như bố trí các cụm chi tiết như bugi, xu pát, v.v…

b. Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền

– Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền có các chi tiết chính là pít tông, thanh truyền, trục khuỷu và bánh đà.

– Pit tông, xilanh và nap máy tạo thành buồng cháy. Pit tông sinh và nhận lực từ thanh truyền để thực hiện nạp, nén và thải.

– Thanh truyền liên kết pit tông và trục khuỷu.

– Trục khuỷu nhận lực từ pit tông tạo mômen quay và từ bánh đà dẫn dộng thanh truyền để thực hiện quá trình nạp, nén và thải.

c. Cơ cấu phân phối khí

– Cơ cấu phân phối khí đóng mở cửa nạp và cửa thải để thực hiện quá trình nạp và thải (trao đổi khí).

– Cơ cấu phân phối khí chia thành 3 loại:

+ Dùng cam-xu páp trên động cơ 4 kỳ, 

+ Dùng pít tông đóng mở cửa nạp và xả trên động cơ 2 kỳ

+ Dùng hỗn hợp pít tông đóng mở cửa nạp và cam-xu páp xả trên động cơ 2 kỳ.

– Cơ cấu phân phối khí cam- xu páp phổ biến và gồm các bộ phận chính như trục cam với các vấu cam, xu páp, lò xo xu páp… 

– Trục cam được dẫn động từ trục khuỷu động cơ thông qua bộ truyền xích hoặc bộ truyền đai răng.

– Nguyên lí làm việc

+ Khi động cơ hoạt động, trục khuỵu quay dẫn động trục cam (3, 5) qua bộ truyền động đai (6).

+ Các vấu cam (4) tác động lên đuôi xu páp (1) thắng, mở hay đóng thông đường ống nạp hoặc thải xilanh.

+ Lực ép của lò xo xu páp (2) giúp thực hiện quá trình mở hay đóng.

+ Sau khi vấu cam tác động lên đuôi xu páp, dưới tác dụng của lò xo, các xu páp lại trớ về trạng thái đóng.

Hình. Sơ đồ nguyên lí cơ cấu phân phối khi cam – xu páp

1, 6 Xupáp; 2,5. Lò xo xu páp; 3, 4. Vẫu cam

1.2.4. Hệ thống bôi trơn và hệ thống làm mát

a. Hệ thông bôi trơn

– Hệ thống bôi trơn đưa dầu bôi trơn đến bề mặt ma sát nhằm làm giảm ma sát, mài mòn và tăng tuổi thọ của chi tiết máy.

– Động cơ đốt trong có các phương pháp bôi trơn sau:

+ Bôi trơn vung té

+ Pha dầu bôi trơn vào nhiên liệu

+ Bôi trơn cưỡng bức

– Hệ thống bôi trơn cưỡng bức: Ở động cơ đốt trong hiện nay, hệ thống bôi trơn cưỡng bức được sử dụng phổ biến do luôn đảm bảo đủ lượng dầu đi bôi trơn.

b. Hệ thống làm mát

– Hệ thống làm mát giữ cho nhiệt độ các chi tiết cúa động cơ không vượt quá giới hạn cho phép khi làm việc.

– Theo chất làm mát, hệ thống làm mát có thể phân loại như sau:

+ Làm mát bằng không khí.

+ Làm mát bằng chất lỏng (nước, dung dịch làm mát)

– Hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức có cơ cấu tạo chung như hình. Các bộ phận chính gồm: bơm nước, két nước, quạt gió, van hằng nhiệt và các đường ống nước.

– Hệ thống làm mát bằng không khí có cấu tạo đơn giản gồm các cánh tản nhiệt được đúc liền với thân máy và nắp máy.

1.2.5. Hệ thống nhiên liệu

a. Hệ thống nhiên liệu động cơ xăng

– Hệ thống nhiên liệu động cơ xăng có nhiệm vụ dự trữ, cung cấp nhiên liệu để tạo thành hỗn hợp không khí nhiên liệu phù hợp với chế độ làm việc của động cơ.

– Hệ thống nhiên liệu động cơ xăng được phân thành hai loại chính:

+ Hệ thống nhiên liệu sử dụng bộ chế hòa khí.

+ Hệ thống nhiên liệu phun xăng.

b. Hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel

– Hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel có nhiệm vụ dự trữ, cung cấp nhiên liệu phù hợp với từng chế độ làm việc của động cơ.

– Hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel thường được chia thành hai loại chính sau:

+ Hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel truyền thống.

+ Hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel tích áp (còn gọi là hệ thống nhiên liệu Common Rail).

1.2.6. Hệ thống đánh lửa và hệ thống khởi động

a. Hệ thống đánh lửa

– Hệ thống đánh lửa tạo ra tia lửa diện cao áp tại bugi để đốt cháy hỗn hợp khí trong xi-lanh động cơ xăng vào đúng thời điểm, phù hợp với chế độ làm việc của động cơ.

– Hệ thống đánh lửa thường được phân loại như sau:

+ Hệ thống đánh lửa thường.

+ Hệ thống đánh lửa điện từ.

b. Hệ thống khởi động

– Hệ thống khởi động có nhiệm vụ dẫn động trục khuỷu động cơ quay đến vòng quay nhất định để động cơ có thể tự làm việc.

– Tốc độ ban đầu của trục khuỷu để khởi động động cơ là 40-60 vòng/phút đối với động cơ xăng và 100-120 vòng/phút đối với động cơ Diesel.

– Hệ thống khơi động chia ra các loại như sau:

+ Khởi động bằng sức người: dùng đạp chân, giật dây quấn hoặc quay tay. Thường được sử dụng cho các động cơ nhỏ như xe máy, máy phát điện, xuồng máy, …

+ Khởi động bằng động cơ điện: sử dụng động cơ điện để đánh quay trục khuỷu. Thường được sử dụng cho các động cơ ô tô, xe máy, …

+ Khởi động bằng động cơ xăng phụ: sử dụng động cơ xăng nhỏ để khởi động động cơ chính. Thường được sử dụng cho động cơ Diesel của máy kéo, máy ủi, máy xúc, …

+ Khởi động bằng khí nén: đưa khí nén vào xylanh để quay trục khuỷu. Thường được sử dụng cho động cơ Diesel của tàu thủy, máy phát điện cỡ lớn, …