Cơ khí động lực – Động cơ đốt trong và ô tô

Cơ khí động lực (lớp 11) thường chiếm khoảng 1–2 câu ở phần I. Trọng tâm là nguyên lí làm việc của động cơ 4 kì, các thuật ngữ điểm chết, hành trình, tỉ số nén và nhiệm vụ của từng bộ phận trong hệ thống truyền lực ô tô (li hợp, hộp số, vi sai).

Kiến thức trọng tâm

Hệ thống cơ khí động lực

Một hệ thống cơ khí động lực gồm nguồn động lực (động cơ đốt trong, động cơ điện) → hệ thống truyền động → bộ phận công tác (bánh xe, chân vịt tàu thủy, cánh quạt máy bay, bộ phận làm đất của máy nông nghiệp). Các phương tiện tiêu biểu: ô tô, xe máy, tàu thủy, máy bay, máy kéo, máy gặt đập.

Phân loại và cấu tạo chung của động cơ đốt trong

• Theo nhiên liệu: động cơ xăng, động cơ diesel, động cơ dùng khí.
• Theo số hành trình piston trong một chu trình: động cơ 4 kì, động cơ 2 kì.
• Theo cách làm mát: làm mát bằng nước, làm mát bằng không khí; theo số xi lanh: một xi lanh, nhiều xi lanh.

Cấu tạo chung: thân máy và nắp máy; 2 cơ cấu (cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền, cơ cấu phân phối khí); các hệ thống: bôi trơn, làm mát, cung cấp nhiên liệu và không khí, khởi động; riêng động cơ xăng có thêm hệ thống đánh lửa (động cơ diesel không có vì nhiên liệu tự bốc cháy).

Các thuật ngữ cơ bản

• Điểm chết trên (ĐCT), điểm chết dưới (ĐCD): vị trí xa nhất, gần nhất của đỉnh piston so với tâm trục khuỷu, tại đó piston đổi chiều chuyển động.
• Hành trình piston $S$⁠: quãng đường piston đi giữa hai điểm chết; $S = 2R$ với $R$ là bán kính quay của trục khuỷu. Mỗi hành trình, trục khuỷu quay nửa vòng (⁠$180^\circ$⁠).
• Thể tích công tác: $V_s = \dfrac{\pi D^2}{4}\cdot S$ (thể tích quét giữa ĐCT và ĐCD).
• Thể tích buồng cháy $V_c$ (khi piston ở ĐCT); thể tích toàn phần $V_a = V_c + V_s$ (khi piston ở ĐCD).
• Tỉ số nén: $\varepsilon = \dfrac{V_a}{V_c} = 1 + \dfrac{V_s}{V_c}$⁠. Động cơ diesel có tỉ số nén lớn hơn nhiều so với động cơ xăng (khoảng 15–21 so với khoảng 6–10; một số động cơ xăng đời mới cao hơn) vì phải nén không khí tới nhiệt độ đủ làm nhiên liệu tự bốc cháy.

Nguyên lí làm việc của động cơ 4 kì

Ô tô và hệ thống truyền lực

Bộ vi sai cho phép hai bánh xe chủ động quay với tốc độ khác nhau khi xe vào đường vòng (bánh phía ngoài đi quãng đường dài hơn), tránh trượt lết lốp. Hộp số thay đổi tỉ số truyền để thay đổi lực kéo và tốc độ, có số lùi để đổi chiều chuyển động và số 0 để ngắt truyền động lâu dài. Li hợp ngắt truyền động tạm thời khi khởi hành, chuyển số, giúp xe chạy êm.

Xu hướng hiện nay: ô tô điện, ô tô lai (hybrid) kết hợp động cơ đốt trong và động cơ điện; động cơ đốt trong tiết kiệm nhiên liệu, giảm khí thải nhờ phun nhiên liệu điều khiển điện tử.

Dạng bài thường gặp trong đề thi

Dạng 1: Nhận biết trạng thái xupap, vị trí piston ở từng kì

Xem lời giải

Cả hai xupap đều đóng để giữ kín khí cháy trong xi lanh; piston đi từ ĐCT xuống ĐCD. Khí cháy có áp suất, nhiệt độ rất cao giãn nở và trực tiếp đẩy piston, làm quay trục khuỷu, nên đây là kì duy nhất sinh công. Ở ba kì còn lại, piston được trục khuỷu kéo đi nhờ quán tính của bánh đà.

Dạng 2: Tính thể tích công tác và tỉ số nén

Xem lời giải

Đổi $D = 8\,\text{cm}$⁠, $S = 9\,\text{cm}$⁠:

$$V_s = \dfrac{\pi\cdot 8^2}{4}\cdot 9 \approx 452{,}4\,\text{cm}^3$$

Dung tích động cơ: $4\cdot 452{,}4 \approx 1810\,\text{cm}^3 \approx 1{,}8$ lít.

Từ $\varepsilon = 1 + \dfrac{V_s}{V_c}$⁠: $V_c = \dfrac{V_s}{\varepsilon - 1} = \dfrac{452{,}4}{9} \approx 50{,}3\,\text{cm}^3$⁠.

Dạng 3: Số vòng quay và số lần sinh công

Xem lời giải

4 kì: 2 vòng quay ứng với 1 chu trình (1 lần sinh công) → $\dfrac{3000}{2} = 1500$ lần/phút $= 25$ lần/giây.

2 kì: 1 vòng quay ứng với 1 chu trình → 3000 lần/phút $= 50$ lần/giây.

Dạng 4: Nhiệm vụ các bộ phận trên ô tô

Xem lời giải

Hộp số (vào số lùi). Li hợp chỉ ngắt, nối truyền động; vi sai chỉ cho hai bánh quay khác tốc độ; các đăng chỉ truyền mô men giữa các trục lệch góc.

Lỗi thường gặp

Mẹo làm bài

Tự kiểm tra nhanh

1. Bán kính quay của trục khuỷu là 45 mm. Hành trình piston bằng bao nhiêu?

Xem đáp án

$S = 2R = 90\,\text{mm}$⁠.

2. Một động cơ có $V_a = 450\,\text{cm}^3$⁠, $V_c = 30\,\text{cm}^3$⁠. Tỉ số nén bằng bao nhiêu? Đây nhiều khả năng là động cơ xăng hay diesel?

Xem đáp án

$\varepsilon = \dfrac{450}{30} = 15$ — tỉ số nén cao, đặc trưng của động cơ diesel.

3. Động cơ 4 kì có $V_s = 400\,\text{cm}^3$⁠, $\varepsilon = 9$⁠. Tính $V_c$⁠.

Xem đáp án

$V_c = \dfrac{V_s}{\varepsilon - 1} = \dfrac{400}{8} = 50\,\text{cm}^3$⁠.

4. Trong một chu trình động cơ 4 kì, có mấy kì sinh công? Các kì còn lại được thực hiện nhờ đâu?

Xem đáp án

Chỉ 1 kì (cháy – dãn nở). Các kì còn lại nhờ quán tính của bánh đà (hoặc công từ các xi lanh khác).

5. Khi xe rẽ trái, bánh xe chủ động bên nào quay nhanh hơn và bộ phận nào cho phép điều đó?

Xem đáp án

Bánh bên phải (phía ngoài đường vòng) quay nhanh hơn; bộ vi sai cho phép hai bánh quay với tốc độ khác nhau.