Các thông số cơ bản của piston và xi lanh động cơ

Để mô tả đặc tính cơ bản của động cơ đốt trong trong phạm vi hoạt động của nó, chúng ta có thể sử dụng một số thông số và mối quan hệ hình học của piston và buồng đốt. Hiệu suất của động cơ liên quan đến cả hiệu suất sử dụng nhiên liệu và công suất động học (công suất và mô-men xoắn), những yếu tố này chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi các thông số cơ bản của động cơ.

• IV – van nạp
• EV – van xả
• TDC – điểm chết trên – ĐCT
• BDC – điểm chết dưới – ĐCD
• B – đường kính xi lanh
• S – hành trình piston
• r – chiều dài thanh truyền
• a – bán kính tay quay hay kích thước khuỷu
• x – khoảng cách giữa trục khuỷu và trục chốt piston
• θ – góc quay
• Vd – thể tích công tác (displaced volume)
• Vc – thể tích buồng đốt (clearance volume)

Piston di chuyển trong xi lanh giữa ĐCT và ĐCD. Để hoàn thành một chu trình đốt cháy hoàn toàn, piston thực hiện bốn hành trình và trục khuỷu thực hiện hai vòng quay hoàn chỉnh. Thể tích công tác là thể tích mà piston di chuyển quét được, thể tích buồng đốt là thể tích còn lại trong xi lanh khi piston lên đến ĐCT.

Dung tích động cơ

Đối với xi lanh, thể tích công tác là tích của hành trình piston và diện tích mặt cắt ngang của xi lanh: V_d=S.A_c

Diện tích mặt cắt ngang xi lanh: A_c=π.B²/4

Như vậy, thể tích công tác hay dung tích của xi lanh là: V_d = S.π.B²/4

Để tìm tổng thể tích (dung tích) của động cơ, ta chỉ cần nhân dung tích của một xi lanh với số xi lanh N_c: V_d = N_c.S.π.B²/4

Ví dụ về một động cơ của BMW 740e iPerformance: S = 94.6 mm, B = 82 mm, Nc = 4

Ta có V_d=1998336.9 mm³=1998.3369 cm³

Thông số kỹ thuật nêu rõ dung tích động cơ là 1998 cm3, bằng với thể tích tính toán.

Dung tích động cơ thường được tính bằng lít L, centimet khối cm3 (SI) hoặc inch khối in3 (US). Đường kính xi lanh và hành trình piston được tính bằng mm nên chúng ta cần áp dụng một phép chuyển đổi để có được đơn vị thể tích được yêu cầu:

1L=10⁻³m³=10³cm³=106mm³=61in³

Dung tích của động cơ đốt trong hiện đại dao động trong khoảng từ 1,0 L đến khoảng 6,0 L, trung bình khoảng 1,5 – 2 L. Ngành ô tô đang có xu hướng rõ ràng là giảm dung tích của động cơ (giảm kích thước) để đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải nhiên liệu nghiêm ngặt hơn.

Hình dạng cơ bản của động cơ đốt trong piston (chuyển động tịnh tiến) được xác định bởi các thông số sau:

• Tỷ số nén
• Tỷ số giữa đường kính xi lanh và hành trình piston
• Tỷ số giữa chiều dài thanh truyền và bán kính tay quay

Tỷ số nén

Tỷ số nén được tính bằng tỷ số giữa thể tích toàn phần (thể tích max trong xi lanh khi piston ở ĐCD) và thể tích cháy (thể tích min trong xi lanh khi piston ở ĐCT).

Trong tài liệu kỹ thuật, chữ cái Hy Lạp epsilon ε được sử dụng để xác định tỷ số nén của động cơ.

ε=V_max/V_min=(V_c+V_d)/V_c

Hầu hết các động cơ đánh lửa cưỡng bức (xăng) hiện đại đều có tỷ số nén từ 8 đến 11, trong khi động cơ tự đánh lửa (diesel) có tỷ số nén trong khoảng 12 đến 24.

Thông thường động cơ đốt trong tăng áp hoặc siêu nạp có tỷ số nén thấp hơn động cơ hút khí tự nhiên.

Tỷ số nén càng cao thì áp suất cháy trong xi lanh càng cao. Giá trị lớn nhất của tỷ số nén phụ thuộc chủ yếu vào vật liệu, công nghệ và chất lượng nhiên liệu của động cơ.

Vì phụ thuộc vào hình dạng của động cơ nên tỷ số nén là cố định. Có nhiều nỗ lực khác nhau để phát triển động cơ có tỷ số nén thay đổi nhằm mang lại hiệu suất tổng thể tốt hơn.

Tỷ lệ Bore/Stroke

Tỷ lệ giữa đường kính xi lanh và hành trình piston thường được xác định bằng zeta ζ (chữ cái Hy Lạp): ζ=B/S

Đối với phương tiện giao thông đường bộ, tỷ số đường kính xi lanh trên hành trình piston thường từ 0,8 đến 1,2. Khi đường kính xi lanh bằng hành trình B = S thì động cơ gọi là động cơ vuông (square engine). Nếu hành trình piston lớn hơn đường kính xi lanh thì động cơ ở dưới hình vuông (under square). Nếu chiều dài hành trình nhỏ hơn đường kính xi lanh thì động cơ được gọi là động cơ trên vuông (over square). Trong ví dụ này, tỷ lệ đường kính xi lanh và hành trình piston là 0,87.

Tỷ số giữa chiều dài thanh truyền và bán kính tay quay thường được xác định là R: R=r/a

Đối với động cơ nhỏ R nằm trong khoảng từ 3 đến 4, đối với động cơ lớn bắt đầu từ 5 đến 10.

Khi dung tích của động cơ cố định, thì hành trình dài hơn cho phép đường kính xi lanh nhỏ hơn (under square). Ưu điểm là diện tích bề mặt trong buồng đốt thấp hơn và do đó tổn thất nhiệt ít hơn. Điều này sẽ cải thiện hiệu suất nhiệt bên trong buồng đốt. Nhược điểm là hành trình dài hơn, tốc độ piston cao hơn và tổn thất ma sát cao hơn, làm giảm công suất động cơ hiệu quả.

Nếu hành trình giảm, đường kính xi lanh phải tăng lên và động cơ sẽ quá vuông (over square). Điều này dẫn đến tổn thất ma sát thấp hơn nhưng lại làm tăng tổn thất truyền nhiệt. Hầu hết các động cơ ô tô hiện đại đều có dạng gần vuông, một số hơi vuông hơn và một số hơi dưới vuông.

Danh sách thuật ngữ chuyên ngành:

• Intake valve: Van nạp
• Exhaust valve: Van xả
• TDC – top dead center: Điểm chết trên
• BDC – bottom dead center: Điểm chết dưới
• Cylinder bore: Đường kính xi lanh
• Piston stroke: Hành trình piston
• Connecting rod: Thanh truyền
• Crank radius: Bán kính khuỷu
• Crank angle: Góc quay (trục khuỷu)
• Displaced (swept) volume: Thể tích công tác
• Clearance volume: Thể tích cháy (buồng đốt)