Giáo trình Nguyên lý động cơ đốt trong

Đặng Tiến Hòa 
 - 1 - 
Ch−ơng 1 
Đại c−ơng về động cơ đốt trong 
1.1 Khái quát về động cơ đốt trong 
 Trong các loại động cơ nhiệt, nhiệt l−ợng do động cơ đốt cháy tạo ra, đ−ợc trở thành 
công có ích thì động cơ đốt trong đ−ợc dùng rộng rãi nhất với số l−ợng lớn nhất trong mọi lĩnh 
vực: giao thông vận tải (đ−ờng bộ, đ−ờng sắt, đ−ờng thuỷ, hàng không), nông nghiệp, xây 
dựng, công nghiệp, quốc phòng... 
Tổng công suất do động cơ đốt trong tạo ra chiếm khoảng 90% công suất thiết bị động 
lực do mọi nguồn năng l−ơng tạo ra (nhiệt năng, động năng, năng l−ợng nguyên tử, năng 
l−ợng mặt trời...) 
Trong động cơ đốt trong, các quá trình đốt cháy nhiên liệu, và chuyển biến nhiệt năng 
thành cơ năng đ−ợc th−c hiện bên trong động cơ. 
Động cơ đốt trong gồm có: động cơ đốt trong pittông, tua bin khí và động cơ phản lực 
(hình 1.1). 
Các chi tiết chính của động cơ pittông (hình 1.1a) gồm: xilanh 2, nắp xilanh 3, cácte 1, 
pittông 4, thanh truyền 5 và trục khuỷu 6. Nhiên liệu và không khí cần cho quá trình cháy 
đ−ợc đ−a vào thể tích xilanh động cơ, giới hạn bởi nắp xilanh, thành xilanh và đỉnh pittông. 
Đặng Tiến Hòa 
 - 2 - 
Khí thể đ−ợc tạo ra sau khi cháy có nhiệt độ lớn tạo nên áp suất đẩy pittông chuyển dịch trong 
xilanh. Chuyển động tịnh tiến của pittông thông qua thanh truyền chuyển tới trục khuỷu, lắp 
trong cácte, tạo thành chuyển động quay của trục khuỷu. 
Trong tua bin khí (hình 1.1b), việc đốt cháy nhiên liệu đ−ợc thực hiện trong buồng cháy 8. 
Nhiên liệu vào buồng cháy là nhờ bơm 7 và đ−ợc xé tơi qua vòi phun. Không khí cần cho sự 
cháy, đ−ợc máy nén 11 (lắp trên đầu trục của tua bin khí 10) cung cấp cho buồng cháy, sản vật 
cháy qua lỗ phun 9 đi vào các cánh bánh công tác của tua bin 10 để giãn nở và sinh công. 
Tua bin khí, chỉ có các chi tiết quay tròn, nên có thể chạy ở tốc độ cao. Ngoài ra, các cánh 
của tua bin có thể lợi dụng triệt để năng l−ợng của khí nóng. Nh−ợc điểm chính của tua bin là 
hiệu suất thấp và các cánh tua bin phải hoạt động trong môi tr−ờng nhiệt độ cao (giảm nhiệt 
độ của khí thể để tăng độ tin cậy của các cánh sẽ làm giảm hiệu suất của tua bin). Tua bin khí 
đ−ợc dùng rộng rãi làm thiết bị phụ của động cơ pittông và động cơ phản lực 
Trong động cơ phản lực dùng chất ôxy hoá thể lỏng (hình 1.1c), nhiên liệu và chất ôxy 
hoá thể lỏng từ thùng chứa 12 và 13 đ−ợc bơm 14 cấp cho buồng cháy 8. Sản vật cháy giãn nở 
trong ống phun 15, và phun ra môi tr−ờng với tốc độ lớn. L−u động của dòng khí ra khỏi các 
ống phun là nguyên nhân sản sinh phản lực( lực kéo) của động cơ. Hình 1.1d giới thiệu động 
cơ phản lực dùng chất ôxy hoá thể khí (không khí). Đặc điểm chính của động cơ phản lực là 
lực kéo hầu nh− không phụ thuộc vào tốc độ của thiết bị phản lực, còn công suất của động cơ 
tỉ lệ thuận với tốc độ không khí vào máy tức là tốc độ chuyển động của thiết bị phản lực. đặc 
điểm trên đ−ợc sử dụng trong động cơ tua bin phản lực của máy bay. Nh−ợc điểm chính của 
động cơ phản lực là hiệu suất t−ơng đối thấp. 
Động cơ đốt trong pittông có hiệu quả cao nhất vì nhiệt độ cực đại trong quá trình cháy 
có thể tới 1800 ữ2800 K, còn nhiệt độ khí xả thải ra ngoài trời chỉ là 900 ữ1500 K Tuy nhiệt 
độ cao nh− vậy nh−ng do quá trình hoạt động của động cơ có tính chu kỳ và các chi tiết tiếp 
xúc với khí nóng luôn đ−ợc làm mát nên không gây ảnh h−ởng đến độ tin cậy trong hoạt động 
của động cơ. Nh−ợc điểm chính của động cơ pittông là ở cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền ; cơ 
cấu này làm cho cấu tạo của động cơ phức tạp và còn hạn chế khả năng tăng tốc độ động cơ. 
Ngày nay ng−ời ta sử dụng rộng rãi động cơ tăng áp tua bin khí, đó là loại động cơ liên 
hợp gồm động cơ pittông 1, máy nén khí 3 và tua bin khí 2 (hình 1.2) liên kết với nhau. Khí xả 
của động cơ pittông có nhiệt độ và áp suất cao, truyền năng l−ợng cho cánh tua bin khí 2để 
dẫn động cơ máy nén khí 3. Máy nén khí hút không khí từ môi tr−ờng nén tới áp suất nào đó 
rồi nạp vào xilanh động cơ pittông. Việc tăng l−ợng khí nạp vào xilanh động cơ bằng cách 
tăng áp suất không khí trên đ−ờng nạp đ−ợc gọi là tăng áp. Khi tăng áp, mật độ không khí sẽ 
tăng, do đó làm tăng l−ợng môi chất mới nạp vào xilanh động cơ so với tr−ờng hợp không tăng 
áp. 
Muốn đốt nhiên liệu phun vào xilanh động cơ, cần có một l−ợng không khí thích hợp 
(ví dụ muốn đốt kiệt 1kg nhiên liệu lỏng về mặt lí thuyết cần có khoảng 15kg không khí). Do 
đó không khí nạp vào xilanh càng nhiều thì số nhiên liệu có thể đốt cháy càng nhiều tức là 
đ−ợc công suất càng lớn. 
Động cơ tăng áp tua bin khí so với động cơ không tăng áp không những có công suất 
lớn hơn mà hiệu suất cũng cao hơn, vì nó đã sử dụng thêm năng l−ợng của khí xả. 
Đặng Tiến Hòa 
 - 3 - 
Ưu điểm chính của động cơ tăng áp tua bin khí là khối l−ợng và thể tích của động cơ 
qui về 1kW nhỏ hơn và hiệu suất cao hơn so với động cơ không tăng áp. 
ở động cơ đốt trong, việc sử dụng hoá năng của nhiên liệu ngay bên trong xilanh động 
cơ là một trong các ph−ơng pháp tốt nhất, vì nó không cần đến môi chất trung gian (ví dụ hơi 
n−ớc trong máy hơi và tua bin hơi nhờ đó không có các thiết bị phụ khác (nh− nồi hơi, thùng 
ng−ng hơi, bộ quá nhiệt...) tránh đ−ợc nhiều tổn thất nhiệt. 
Động cơ đốt trong pittông, đặc biệt là động cơ tăng áp tua bin khí là loại có hiệu suất 
cao nhất trong các động cơ nhiệt hiện nay. 
Ngày nay động cơ đốt trong pittông chiếm số l−ợng lớn nhất và đ−ợc sử dụng rộng rãi 
nhất. Vì vậy thuật ngữ “động cơ đốt trong” đ−ợc dùng với ý khái quát chung cho các loại động 
cơ đốt trong, đồng thời cũng có ý dùng ngắn gọn để chỉ động cơ đốt trong pittông. 
1.2. Ưu, khuyết điểm và lĩnh vực sử dụng động cơ đốt trong 
So với các loại động cơ nhiệt khác, −u điểm chính của động cơ đốt trong là: 
1. Hiệu suất có ích eη cao, động cơ điêden tăng áp tua bin khí hiện đại đạt tới 
eη =0,4ữ0,52 , trong khi đó hiệu suất có ích của máy hơi n−ớc eη = 0,09ữ0,14, của tua bin 
hơi n−ớc eη = 0,22ữ0,28 và của tua bin khí eη không quá 0,3. 
2. Kích th−ớc nhỏ gọn, khối l−ợng nhẹ vì toàn bộ chu trình của động cơ đốt trong đ−ợc 
thực hiện trong một thiết bị duy nhất (ng−ợc lại thiết bị tua bin khí hoặc hơi cần có nhiều trang 
bị phụ nh−: nồi hơi, buồng cháy, máy nén... rất nặng và cồng kềnh). 
Động cơ pittông hiện đại đạt khối l−ợng trên 1kW là : 0,25ữ 0,23 (kg/kW) và công 
suất lít là: 1,2ữ38 (kW/l). 
3. Khởi động nhanh. Bất kỳ động cơ đốt trong nào trong moị điều kiện chỉ cần từ vài 
giây đến vài phút là có thể cho máy nổ và chyển đến toàn tải. Động cơ điêden lớn nhất, từ khởi 
động rồi chuyển đến toàn tải chỉ cần 30ữ40 phút, trong khi đó, trang bị động lực hơi n−ớc 
(máy hơi và tua bin hơi) muốn khởi động rồi chuyển đến chạy toàn tải phải cần tới từ mấy giờ 
đến mấy ngày đêm. 
4. Hao ít n−ớc. Động cơ đốt trong có thể không dùng n−ớc hoặc tiêu hao rất ít n−ớc, 
trong khi đó trang bị động lực hơi n−ớc phải tiêu thụ một l−ợng lớn kể cả tr−ờng hợp thu hồi 
hơi n−ớc ng−ng tụ. Ưu điểm này của động cơ đốt trong có giá trị đặc biệt trong một số tr−ờng 
hợp (ví dụ : trong vùng sa mạc). 
5. Bảo d−ỡng đơn giản và thuận tiện hơn hẳn so với trang bị động lực hơi n−ớc. Động 
cơ đốt trong chỉ cần 1 ng−ời chăm sóc, bảo d−ỡng. 
Nh−ợc điểm của động cơ đốt trong là: 
1.Trong xilanh không thể đốt nhiên liệu rắn, và nhiên liệu kém phẩm chất. Động cơ 
đốt trong chủ yếu dùng nhiên liệu lỏng hoặc khí sạch không chứa các thành phần kim loại 
cũng nh− tạp chất cơ học. 
2. Công suất thiết bị bị giới hạn. Về mặt này trang bị hơi n−ớc có nhiều −u việt hơn so 
với động cơ đốt trong. Động cơ điêden không thể v−ợt công suất 37.000kW; với công suất 
20.000kW, cấu tạo của động cơ trở nên rất phức tạp hoạt động thiếu linh hoạt, trong khi đó 
trang bị tua bin hơi n−ớc có thể đạt công suất trên 200.000kW. 
Đặng Tiến Hòa 
 - 4 - 
3. Trên thiết bị vận tải đ−ờng bộ, không thể nối trực tiếp trục động cơ với trục của máy 
công tác do hạn chế về đặc tính của động cơ đốt trong. Do đó, trên hệ thống truyền động phải 
có bộ li hợp và hộp số để thay đổi mômen của trục thụ động trong một phạm vi rộng. 
4. Động cơ hoạt động khá ồn, nhất là động cơ cao tốc. Ng−ời ta phải dùng các bộ tiêu 
âm trên đ−ờng thải và đ−ờng nạp để hạn chế bớt nh−ợc điểm này. Nh−ng nh− vậy sẽ làm ảnh 
h−ởng xấu tới −u điểm của động cơ nh− hiệu suất và khối l−ợng động cơ qui về một kW/h... 
Do những −u điểm kể trên, nên động cơ đốt trong đã phát triển trên khắp các lĩnh vực 
công nghiêp, nông lâm ng− nghiệp, giao thông vận tải. 
Trong lĩnh vực công nghiệp, phát điện, vận tải biển, động cơ đốt trong đ−ợc sử dụng 
song hành với động cơ nhiệt khác. Một số lĩnh vực, cho tới nay ch−a sử dụng đ−ợc các loại 
động cơ khác, ví dụ trên ôtô, máy kéo, hàng không, tàu ngầm, các trạm phát điện di động, 
động cơ đốt trong vẫn là động lực duy nhất đ−ợc sử dụng trong các lĩnh vực này. Ngoài ra toàn 
bộ tàu sông, tàu ven biển, tầu biển d−ới 10.000 tấn, các máy xây dựng, các trang bị kĩ thuật 
quân sự đều sử dụng động lực chính là động cơ đốt trong. 
Chính vì vậy ngành công nghiệp chế tạo động cơ đốt trong đ−ơc coi là bộ phận tất yếu 
của ngành cơ khí và nền kinh tế quốc dân của hầu hết các n−ớc. 
Động cơ đốt trong là một ngành cơ khí phức tạp. Bên trong động cơ thực hiện các quá 
trình khác nhau: biến đổi hoá học, nhiệt động học, các quá trình cơ khí và điện khí, các cơ cấu 
đảm bảo các quá trình trên đều phức tạp. Khi chế tạo cũng vậy, vì hình dạng của các chi tiết 
rất phức tạp, kích th−ớc lớn , đòi hỏi nhiều loại nguyên vật liệu khác nhau, nhiều loại máy 
công cụ đặc chủng phức tạp để đạt độ chính xác cao... 
Sau cùng, việc bảo d−ỡng, sửa chữa động cơ đốt trong cũng đòi hỏi có hiểu biết về 
nhiều loại kiến thức phong phú. 
Vì vậy tất cả các n−ớc đều rất coi trọng đào tạo đội ngũ chuyên gia về động cơ đốt 
trong có số l−ợng và chất l−ợng nhất định đáp ứng yêu cầu về thiết kế, chế tạo, sử dụng bảo 
d−ỡng, sửa chữa các loại động cơ đốt trong dùng trong n−ớc mình. 
1.3. Phân loại động cơ đốt trong 
Động cơ đốt trong đ−ợc phân loại theo những đặc tr−ng sau đây: 
1. Theo ph−ơng pháp thực hiện chu trình công tác có: 
- Động cơ bốn kỳ - chu trình đ−ợc thực hiện trong bốn hành trình pittông hoặc hai vòng 
quay trục khuỷu. 
- Động cơ hai kỳ - chu trình đ−ợc thực hiện trong hai hành trình pittông hoặc một vòng 
quay trục khuỷu. 
2. Theo loại nhiên liệu dùng cho động cơ có: 
- Động cơ dùng nhiên liệu lỏng, nhẹ (xăng, benzen, dầu hoả, cồn...) 
- Động cơ dùng nhiên liệu lỏng, nặng (nhiên liệu điêden, dầu mazút, gazôin...) 
- Động cơ dùng nhiên liệu khí (khí lò ga, khí thiên nhiên, khí hoá lỏng, nhiên liệu khí 
nén). 
- Động cơ dùng nhiên liệu khí cộng với nhiên liệu lỏng (phần chính là nhiên liệu khí, phần 
mồi là nhiên liệu lỏng). 
- Động cơ đa nhiên liệu (dùng các nhiên liệu lỏng từ nhẹ đến nặng). 
3. Theo ph−ơng pháp nạp của chu trình công tác có: 
Đặng Tiến Hòa 
 - 5 - 
- Động cơ không tăng áp. Quá trình hút không khí hoặc hoà khí vào trong xilanh là do 
pittông hút trực tiếp từ khí trời (động cơ bốn kỳ) hoặc do không khí quét đ−ợc nén tới áp suất 
đủ để thực hiện việc thay đổi môi chất và nạp đầy xilanh (động cơ hai kỳ). 
- Động cơ tăng áp, không khí hoặc hoà khí vào xilanh động cơ có áp suất không khí lớn 
hơn áp suất khí trời, nhờ thiết bị tăng áp (động cơ bốn kỳ) hoặc việc quét xilanh và nạp không 
khí hoặc hoà khí đ−ợc không khí thực hiện nhờ không khí có áp suất cao, đảm bảo chẳng 
những tăng l−ợng môi chất mà còn tăng l−ợng khí nạp vào xilanh. Thuật ngữ “tăng áp” có 
nghĩa là tăng l−ợng môi chất mới nhờ nâng cao áp suất trên đ−ờng nạp qua đó tăng mật độ khí 
nạp. 
4. Theo ph−ơng pháp hình thành hoà khí (hỗn hợp giữa không khí và nhiên liệu) có: 
- Động cơ hình thành hoà khí bên ngoài – trong đó hoà khí (còn gọi là hỗn hợp khí cháy) 
gồm hơi nhiên liệu lỏng nhẹ và không khí hoặc gồm nhiên liệu thể khí và không khí đ−ợc hoà 
trộn tr−ớc bên ngoài bên ngoài xilanh động cơ (bao gồm toàn bộ động cơ dùng bộ chế hoà khí 
và động cơ dùng nhiên liệu thể khí) và đ−ợc đốt cháy bằng tia lửa điện. 
- Động cơ hình thành hoà khí bên trong – trong đó hoà khí đ−ợc hìng thành bên trong 
xilanh là nhờ bơm cao áp cấp nhiên liệu cao áp để phun tơi vào khối không khí nóng trong 
xilanh động cơ (động cơ điêden) hoăc nhờ phun nhiên liệu nhẹ trực tiếp vào xilanh động cơ 
(động cơ phun xăng trực tiếp vào xilanh). 
Quá trình hình thành hoà khí trong động cơ điêden chủ yếu phụ thuộc vào loại buồng 
cháy, vì vậy động cơ điêden đ−ợc chia thành ba loại sau: 
+ Động cơ điêden dùng buồng cháy thống nhất, trong đó thể tích buồng cháy là một khối 
thống nhất các quá trình hình thành hoà khí và quá trình cháy thực hiện ở đây. 
+ Động cơ điêden dùng buồng cháy dự bị, trong đó thể tích buồng cháy đ−ợc ngăn làm hai 
phần : buồng cháy chính và buồng cháy dự bị, nhiên liệu d−ợc phun vào buồng cháy dự bị, 
qua đó tạo ra chênh áp giữa hai buồng cháy. Nhờ chênh áp đó sản vật cháy, nhiên liệu và 
không khí ch−a cháy đ−ợc phun ra buồng cháy chính để tiếp tục hình thành hoà khí và kết 
thúc quá trình cháy trong buồng cháy chính. 
+ Động cơ điêden dùng buồng cháy xoáy lốc, trong đó thể tích buồng cháy cũng đ−ợc chia 
làm hai phần : buồng cháy chính và buồng cháy lốc. Giữa hai buồng cháy này có đ−ờng nối 
thông nằm trên đ−ờng tiếp tuyến với buồng cháy xoáy lốc, nhờ đó tạo ra dòng xoáy lốc của 
môi chất ở đây vào cuối quá trình nén. Tr−ớc tiên việc hình thành hoà khí là nhờ nhiên liệu 
đ−ợc phun tơi vào dòng xoáy lốc này, tiếp đó nhiên liệu bốc cháy tạo ra chênh áp giữa hai 
buồng cháy. Nhờ chênh áp, sản vật cháy, nhiên liệu và không khí ch−a cháy đ−ợc phun ra 
buồng cháy chính để tiếp tục hình thành hoà khí và kết thúc quá trình cháy trong buồng cháy 
chính. 
5. Theo ph−ơng pháp đốt cháy hoà khí có : 
- Động cơ nhiên liệu tự cháy (động cơ điêden), trong đó nhiên liệu lỏng đ−ợc phun tơi vào 
buồng cháy và tự bốc cháy nhờ nhiệt độ cao của môi chất cuối quá trình nén. 
- Động cơ đốt cháy c−ỡng bức, trong đó hoà khí đ−ợc đốt cháy c−ỡng bức nhờ nguồn nhiệt 
bên ngoài (tia lửa điện). Loại này gồm toàn bộ động cơ dùng chế hoà khí và máy ga. 
- Động cơ đốt cháy hỗn hợp, trong đó hoà khí đ−ợc đốt cháy nhờ hai nguồn nhiệt : một 
nguồn do nhiệt độ môi chất cuối quá trình nén (không đủ tự cháy) và nguồn khác do tác dụng 
Đặng Tiến Hòa 
 - 6 - 
của thành nóng trong buồng cháy hoặc do mồi lửa (cầu nhiệt). Loại này gồm toàn bộ động cơ 
có cầu nhiệt. 
- Động cơ đốt cháy tổ hợp (động cơ ga-điêden), trong đó hoà khí của nhiên liệu thể khí 
hoặc nhiên liệu lỏng đ−ợc đốt cháy c−ỡng bức, nhờ ngọn lửa do tự cháy của nhiên liệu mồi 
còn nhiên liệu điêden mồi đ−ợc phun vào xilanh cuối quá trình nén tự bốc cháy nhờ nhiệt độ 
cao của môi chất nén. 
6. Theo loại chu trình công tác có: 
- Động cơ cấp nhiệt đẳng tích (V≈ const ) gồm tất cả động cơ có tỉ số nén thấp (ε ≈5ữ11) 
và đốt nhiên liệu c−ỡng bức (động cơ dùng chế hoà khí và máy ga). 
- Động cơ cấp nhiệt đẳng áp (p≈ const) gồm các động cơ có tỉ số nén cao (ε ≈12ữ14), 
phun tơi nhiên liệu nhờ không khí nén và nhiên liệu tự bốc cháy (hiện nay không sản xuất loại 
này), ngoài ra còn động cơ đốt trong tăng áp cao. 
- Đọng cơ cấp nhiệt hỗn hợp, trong đó một phần nhiệt cấp trong điều kiện đẳng tích (V≈ 
const) phần còn lại cấp trong điều kiện đẳng áp (p≈ co ... h tự cháy kém của nhiên liệu 
làm tăng thời gian cháy trễ gây ra, nên động cơ có thể dùng nhiều loại nhiên liệu, thích hợp với 
động cơ đa nhiên liệu. Tất nhiên số xê tan rất thấp nên phải tăng tỷ số nén và phải dùng hệ thống 
phun thích hợp. 
Hình8.44 Phân bố các 
tia không đối xứng trong 
buồng cháy khoét sâu 
trên đỉnh piston 
Hình 8.45 Quá trình M 
 C- màng nhiên liệu 
Đặng Tiến Hòa 
 - 202-
- Do phần lớn nhiên liệu đ−ợc bay hơi từ màng, không có hiện t−ợng nhiên liệu bị phân giải ở 
nhiệt độ cao do thiếu oxy, nên giảm hàm l−ợng muội than trong khí xả, mặt khác hệ số sử dụng 
không khí khi cháy rất lớn, ở chế độ thiết kế có thể dùng α =1,05. 
8.7.5. Buồng cháy xoáy lốc 
Toàn bộ buồng cháy đ−ợc ngăn thành hai phần: buồng xoáy lốc và 
buồng cháy chính, hai phần nối với nhau bằng một đ−ờng thông lớn. 
Buồng cháy xoáy lốc Ricardo (hình 8.46) dùng trên động cơ ô tô, có 
dạng hình chuông , nối với buồng cháy chính nhờ đ−ờng thông tiếp 
tuyến. Trong quá trình nén môi chất từ buồng cháy chính bị đẩy vào 
buồng xoáy lốc và tạo ra ở đây một dòng xoáy nén mạnh. Nhiên liệu 
đ−ợc phun vào cùng h−ớng với dòng xoáy lốc. Các hạt nhiên liệu nhỏ 
nhẹ ở vỏ tia bị cuốn theo vòng xoáy lốc, đ−ợc sấy nóng, bay hơi cùng 
không khí nóng tạo ra hoà khí và bốc cháy ở khu vực miệng đ−ờngthông. 
Màng lửa chuyển động theo quỹ đạo lò xo xoắn cụp vào khu trung tâm 
buồng cháy. Hoà khí ch−a cháy nồng độ lớn bị đẩy ra xung quanh và 
đ−ợc phun vào buồng cháy chính, do tác dụng chênh áp đ−ợc tao ra sau 
khi một phần nhiên liệu đã cháy trong buồng xoáy lốc. Dòng chảy phun 
ra buồng cháy chính, tạo nên dòng xoáy thứ hai ở đây, thúc đẩy sự hoà 
trộn nhiên liệu và không khí để hình thành hoà khí và bốc cháy trong buồng cháy chính. Chênh áp 
giữa buồng xoáy lốc và buồng cháy chính, sau khi cháy lên tới 0,1ữ0,2 MPa. Tốc độ cực đại của 
dòng khí qua đ−ờng thông lên tới 100ữ150m/s. 
1- Những đặc điểm chính của buồng xoáy lốc 
- Hình dạng buồng cháy xoáy lốc rất khác nhau, 
nên c−ờng độ xoáy lốc tại thời điểm cuối kỳ nén cũng 
không giống nhau (H8.47). Ba dạng buồng cháy hình 
cầu, hình đáy phẳng và hình chuông tạo nên tốc độ 
cuối kỳ nén tại mặt cắt A rất khác nhau. Buồng cháy 
dạng cầu có tốc độ tăng nhanh từ tâm buồng cháy đến 
r= 11mm , sau đó tốc độ giảm nhanh đến vị trí 
r=15,5mm; buồng cháy dạng chuông tốc độ dòng khí 
tăng theo bán kính r chậm nhất; sau r=11mm tốc độ cũng giảm chậm nhất. Nếu tốc độ dòng xoáy 
lớn quá sẽ gây tổn thất l−u động lớn đặc biệt khi chạy ở tốc độ cao. 
Nếu giảm bớt tỷ lệ ck V/V ( vk- dung tích buồng cháy xoáy lốc; Vc- dung tích buồng cháy 
động cơ) thì hình dạng buồng cháy chính trở thành một yếu tố quan trọng, lúc ấy cần tạo ra dòng 
xoáy thứ hai trong buồng cháy chính (hình 8.48). 
Hình8.46 Buồng 
cháy xoáy lốc 
Ricardo (phần 
khoét trên đỉnh 
piston có dạng trái 
tim) 
Hình 8.47 Tốc độ dòng xoáy của các 
 buồng xoáy lốc khác nhau 
Hình 8.48 Các hình dạng khác nhau của buồng cháy chính
Đặng Tiến Hòa 
 - 203-
 Công ty Ricardo, thay piston đỉnh bằng và dùng các loại piston khoét lõm đỉnh tạo ra hai 
dòng xoáy đối nhau trong buồng cháy chính đã cải thiện tính năng rõ rệt của động cơ (hình 8.49). 
Hình dạng rãnh dẫn h−ớng dòng khí trong phần 
khoét lõm đỉnh cần phối hợp với hình dạng đ−ờng 
thông nhằm đ−a dòng chảy vào khu vực khoét lõm 
đỉnh và tạo ra dòng xoáy lốc mạnh trong buồng 
cháy chính. 
- Tỷ số ck V/V ≈0,7ữ0,5 – giá trị nhỏ làm 
giảm tổn thất tản nhiệt và tổn thất l−u động và 
tăng hiệu suất động cơ, trong tr−ờng hợp này có 
thể tăng đ−ờng kính các xupap qua đó làm tăng 
hệ số nạp ở tốc độ lớn. Để dễ khởi động lạnh cần 
tăng tỷ số nén( 20≥ε ). Với động cơ có thể tích 
công tác Vh t−ơng đối nhỏ và tỷ số nén ε lớn, việc 
giảm Vk còn làm cho khe hở giữa đỉnh piston và 
nắp xylanh không trở nên quá nhỏ, tạo điều kiện dễ dàng cho sửa chữa và bảo d−ỡng kỹ thuật. 
- Vị trí đ−ờng thông không những phải quan tâm đến dòng xoáy trong buồng xoáy lốc, mà còn 
phải l−u ý cả dòng xoáy lốc thứ hai trong buồng cháy chính. Đặt đ−ờng thông tiếp tuyến dễ tạo ra 
dòng xoáy nén; còn đặt đ−ờng thông ở khu vực giữa, dễ đ−a dòng chảy đi ra. Kết quả thực nghiệm 
chỉ rằng:α =400 và đặt mép sắc phía trong của đ−ờng thông sát với tâm của buồng xoáy lốc (hình 
8.50) sẽ cho kết quả tốt. Hình dạng đ−ờng thông cần đảm bảo cho dòng xoáy đ−ợc bao trùm toàn 
bộ không gian buồng xoáy lốc. 
Tăng tỷ số b/d (b- chiều dài; d- chiều rộng đ−ờng thông)và f/Fp (f – 
diện tích ngang của đ−ờng thông; Fp- diện tích đỉnh piston) sẽ có lợi 
cho hiệu suất động cơ , đặc biệt là tăng f/Fp. Nhìn từ góc đọ trnhs tạo 
muội than khi chạy ở tốc độ thấp, thì tỷ số f/Fp phải nhỏ hơn còn b/d 
phải lớn. Ngoài ra f/Fp càn ảnh h−ởng đến tốc độ tăng áp khi cháy 
cũng nh− tiếng ồn của động cơ. thông th−ờng các tỷ số trên nằm trong 
giới hạn: f/Fp =1,9ữ 3,3%;b/d= 2,2 ữ2,5. 
- H−ớng tia phun là h−ớng lệch tâm theo chiều dòng xoáy. Nếu tia 
phun theo h−ớng tâm, hoặc lệch tâm ng−ợc chiều dòng xoáy, thì màng 
lửa đầu tiên sẽ xuất hiện ở trung tâm buồng cháy, mặc dầu có lợi cho 
việc dễ khởi động nh−ng sẽ tạo ra hiện t−ợng khoá nhiệt. Còn nếu tia phun lệch tâm theo chiều 
dòng xoáy khi tâm tia phun cùng với đ−ờng qua tâm buồng cháy tạo một góc kẹp lớn sẽ tạo nên 
một quá trình t−ơng tự quá trình M. Trong điều kiện nhiệt độ thành buồng cháy còn thấp, sẽ làm 
kém tính năng khởi động lạnh, ngoài ra phần nhiên liệu đ−ợc bốc cháy ở những giai đoạn tiếp theo 
do thiếu một dòng xoáy mạnh nên th−ờng kéo dài thời gian cháy, làm giảm hiệu suất động cơ. Độ 
nhạy đối với ph−ơng h−ớng tia phun của các buồng xoáy lốc rất khác nhau, buồng hình cầu, đáy 
phẳng chịu ảnh h−ởng ít nhất. 
Hình8.49 ảnh h−ởng hình dạng buồng 
cháy chính tới tính năng của động cơ 
1- đỉnh bằng; 
2- đỉnh khoét lõm tạo 2 dòng xoáy 
Hình 8.50 Vị trí 
kích th−ớc và hình 
dạng đ−ờng thông 
của buồng xoáy lốc 
Đặng Tiến Hòa 
 - 204-
-Đ−ờng thông vào buồng cháy xoáy lốc th−ờng làm trên nắp buồng cháy (một chi tiết rời). Kết 
cấu đó một mặt giảm nhẹ phần gia công hình dạng, kích th−ớc buồng xoáy lốc, mặt khác còn tạo 
điều kiện chọn vật liệu chịu nhiệt cho đ−ờng thông qua đó gây ảnh h−ởng lớn tới thời gian cháy 
trễ và tốc độ tăng áp suất khi cháy. Thông th−ờng tăng nhiệt độ nắp buồng cháy sẽ rút ngắn thời 
gian cháy trễ và giảm tốc độ tăng áp khi cháy. 
2- Đặc tính của buồng cháy xoáy lốc 
Với dòng xoáy lốc mạnh của không khí trong buồng cháy phụ, lại dùng vòi phun một lỗ có 
chốt trên kim phun, làm cho buồng cháy xoáy lốc không còn nhạy cảm đối với mức độ hoàn hảo 
của hệ thống phun. Vì vậy trong phạm vi rộng của tốc độ động cơ, nhiên liệu và không khí vẫn 
đ−ợc phối hợp hoà trộn với nhau tạo ra hoà khí tốt. 
Dòng xoáy lốc đ−ợc tạo ra khi nén có c−ờng độ lớn hơn so với dòng xoáy đ−ợc tạo ra khi nạp, 
nên hoà khí đ−ợc hình thành nhanh hơn. Vì vậy kể cả tr−ờng hợp phun nhiên liệu rất trễ, quá 
trình cháy vẫn kết thúc kịp thời và động cơ có thể chạy ở tốc độ cao. Mặt khác số màng lửa xuất 
hiện đầu tiên trong vòi phun một lỗ ít hơn so với vòi phun nhiều lỗ, nhờ đó giảm đ−ợc tốc độ 
cháy, tốc độ tăng áp khi cháy và tiếng ồn của động cơ. 
Trong buồng xoáy lốc, muốn cho động cơ đạt tính năng tốt, cần làm cho thời điểm bắt đầu 
cháy hơi muộn một chút (sát điểm chết trên), vì vậy trong thời gian cháy ở buồng cháy chính, 
piston đã bắt đầu đi xuống, nhiệt độ môi chất sẽ giảm do giãm nở, đã hạn chế sự hình thành NOx. 
Do tốc độ dòng chảy qua đ−ờng thông rất lớn, khi nén cũng nh− khi cháy, gây ra ứng suất 
nhiệt t−ơng đối lớn ở đỉnh piston cũng nh− nắp xylanh, mặt khác còn làm tăng truyền nhiệt cho 
n−ớc làm mát nên hiệu suất của động cơ có buồng cháy xoáy lốc hơi kém. Động cơ diezen đặt 
trên xe du lịch cần giải quyết tốt tiếng ồn ở chế độ không tải và chạy chậm. 
8.7.6 Buồng cháy dự bị 
Toàn bộ không gian buồng cháy Vc đ−ợc ngăn làm hai phần: buồng cháy dự bị có dung tích là 
Vk và buồng cháy chính, dung tích Vk khá nhỏ, th−ờng không quá 35ữ40%Vc, có tr−ờng hợp chỉ 
chiếm 10ữ15%Vc, giữa hai buồng có một hoặc một vài lỗ nhỏ nối thông. Tổng diện tích f của 
các lỗ thông chỉ chiếm0,3ữ0,6%Fp (Fp – diện tích đỉnh piston ). Bố trí các lỗ thông trong buồng 
cháy dự bị không nhằm tạo ra dòng xoáy mạnh nh− trong buồng cháy xoáy lốc mà chỉ nhằm phối 
hợp tốt ph−ơng h−ớng của các lỗ thông với hình dạng buồng cháy chính, làm cho dòng chảy từ 
buồng cháy dự bị đi ra đ−ợc phân bố đều và đ−ợc hoà trộn nhanh với không khí trong buồng cháy 
chính; nhiên liệu phun vào buồng dự bị. 
Hình thức cấu tạo của buồng cháy dự bị rất đa dạng (hình 8.51). Bản chất hình thành hoà khí 
trong buồng cháy dự bị nh− sau: nhiệt l−ợng do một phần nhỏ nhiên liệu phun vào đ−ợc bốc cháy 
trong buồng dự bị tạo nên chênh áp giữa hai buồng cháy, làm cho nhiên liệu và hoà khí ch−a kịp 
cháy trong buồng dự bị đ−ợc phun ra buồng cháy chính với tốc độ rất lớn. Nhờ bố trí hợp lý hình 
dạng phù hợp của các lỗ thông tạo nên chuyển động rối của môi chất, nên nhiên liệu và hoà khí 
ch−a cháy đ−ợc phun vào buồng cháy chính tiếp tục hoà trộn với không khí và kết thúc cháy tại 
đây. Chênh áp lớn giữa hai buồng cháy đạt tới 0,6 ữ1,0MPa. 
1- Những đặc điểm chính của buồng cháy dự bị 
a) Nguyên tắc tổ chức dòng chảy và đốt nhiên liệu trong buồng cháy dự bị 
Đặng Tiến Hòa 
 - 205-
Khi nhiên liệu đ−ợc 
phun vào và bắt đàu bốc 
cháy trong buồng dự bị, áp 
suất môi chất tăng cao ra 
chênh áp nhờ đó hoà khí và 
nhiên liệu ch−a kịp cháy 
đ−ợc phun qua các lỗ thông 
với tốc độ rất lớn, tạo ra 
dòng chảy rối và hoà trộn 
với không khí trong buồng 
cháy chính để tiếp tục hình 
thành hoà khí và bốc cháy 
tại đây. Nh− vậy động năng 
của dòng chảy từ buồng 
cháy dự bị đi ra là nhân tố 
chủ yếu ảnh h−ởng tới chất 
l−ợng hình thành hoà khí và 
bốc cháy của nhiên liệu 
trong buồng cháy chính, do 
đó trong buồng cháy dự bị có những điểmsau: 
- Các tỷ số 
c
k
k V
V=δ và f/FP. Nhìn chung tăng kδ sẽ làm tăng pe nh−ng cũng làm tăng thêm các 
tổn thất khi cháy, vì vậy làm tăng tiêu hao nhiên liệu ge. Tăng f/FP làm tăng hiệu suất động cơ 
nh−ng lại làm giảm áp suất có ích trung bình pe. nhờ kết quả thực nghiệm, ng−ời ta đã xây dựng 
biểu thức kinh nghiệm sau: ε
δ
μ 50700
.
.1 +=
KMp CFf 
Trong đó ;f- tổng diện tích các lỗ thông(cm2); Fp- diện tích đính piston (cm
2);μ - hệ số l−u 
l−ợng của các lỗ thông (0,7ữ0,8), nhiều lỗ thông μ sẽ nhỏ; 
c
k
k V
V=δ -( kδ 4,025,0 ữ≈ ); 
mC - tốc độ trung bình của piston Cm
30
.nS= (m/s) ; S- hành trình piston (m); n- số vòng quay của 
trục khuỷu (vòng /phút);ε - tỷ số nén. 
- Hình dạng buồng cháy dự bị, vị trí lỗ thông, ph−ơng h−ớng tia nhiên liệu 
Vị trí bắt đầu cháy trong buồng cháy có ảnh h−ởng lớn tới năng l−ợng dòng chảy và chất 
l−ợng hoà trộn giữa nhiên liệu ch−a cháy với không khí trong buồng cháy chính. Điểm bắt đầu 
cháy trong buồng cháy dự bị phải ở xa lỗ thông, qua đó làm tăng nhanh áp suất ở đây khi cháy và 
đảm bảo cho dàng chảy phun vào buồng cháy chính có năng l−ợng lớn, sớm đ−ợc hoà trộn đều với 
không khí trong buồng cháy chính. 
Nhiên liệu và hoà khí ch−a kịp cháy trong buồng cháy dự bị phải tập trung ở vùng các lỗ 
thông, để sau khi bắt đầu cháy sẽ đ−ợc phun tr−ớc tiên vào buồng cháy chính. 
 Hình 8.51 Các buồng cháy dự bị điển hình 
a) Dodge; b) Benz- OM.315; c) TOYOTA –D2; d)Cartepilla; e) 
Hanomag; f)Maybach MD 330. 
Đặng Tiến Hòa 
 - 206-
Muốn vậy phải tạo tia phun, mật độ lớn, đồng thời hạn chế thành phần hơi nhiên liệu của hoà 
khí trong buồng dự bị, tăng năng lực xuyên sâu của tia để nhiên liệu sớm tới miệng lỗ phun. 
Tránh không để mũi tia nhiên liệu gặp trực 
diện dòng khí nóng đi qua lỗ thông vào buồng 
cháy dự bị cuối kỳ nén. Muốn vậy th−ờng dùng 
các lỗ thông nghiêng tiếp tuyến để dòng khí đi 
theo h−ớng hơi lệch tâm tới miệng lỗ thông 
(hình 10.52) 
Nếu tạo một rãnh nông trong buồng dự bị (số 
3 hình 8.52) để khí nóng men theo sẽ cho hiệu 
quả cháy cao nhất (tốt hơn nhiều so với rãnh sâu 
số 4 hình 8.52). 
B )Buồng cháy chính 
Chất l−ợng cháy trong buồng cháy chình phụ 
thuộc chất l−ợng hình thành hoà khí tại đây. 
Không khí trong buồng cháy chính càn đ−ợc tập 
trung tại miệng các lỗ thông và cần phối hợp tốt 
với số l−ợng và ph−ơng h−ớng của các lỗ thông để số không khí này sớm tham gia hình thành hoà 
khí và đốt cháy nhiên liệu. Khoét lõm đỉnh piston gần khu vực lỗ thông sẽ đảm bảo cho quá trình 
cháy của động cơ dùng buồng cháy dự bị đ−ợc cải thiện rõ rệt so với đỉnh piston bằng (hình 
8.53). 
Đặc tính của buồng cháy dự bị 
Buồng cháy dự bị ó thể chạy với hệ số 
d− l−ợng không khí α rất nhỏ 
(α =1,1ữ1,2) mà chất l−ợng cháy vẫn tốt, 
mặt khác lại có thể chạy ở tốc độ cao. Do 
chế độ nhiệt của buồng dự bị khá ổn định 
nên giảm đ−ợc thời gian cháy trễ, hạn chế 
tốc độ tăng áp suất cũng nh− áp suất cực 
đại khi cháy và đảm bảo cho động cơ hoạt 
động rất ổn định trong mọi điều kiện. 
Do chất l−ợng hình thành hoà khí và 
đốt cháy nhiên liệu của động cơ chủ yếu 
dựa vào năng l−ợng của dòng chảy từ 
buồng dự bị đi ra, nên chất l−ợng quá trình cháy rấta ít nhạy cảm, đối với tốc độ động cơ , nó có 
thể hoạt động trong một phạm vi rất rộng mà không ảnh h−ởng xấu tới hiệu suất động cơ. Buồng 
cháy dự bị không có yêu cầu cao đối với phẩm chất nhiên liệu cũng nh− đối với hệ thống nhiên 
liệu, cũng không nhậy cảm khi thời tiết thay đổi. Tuy nhiên nó cũng có nh−ợc điểm t−ơng tự nh− 
nh−ợc điểm của buồng cháy xoáy lốc: suất tiêu hao nhiên liệu ge lớn (vì 
C
lm
V
F
 lớn và 
pF
f
 nhỏ làm 
Hình 8.52 ảnh của cấu tạo buồng dự bị 
tới dòng khí nén đi vào tới tính năng của 
động cơ 
Hình 8.53 ảnh h−ởng cấu tạo của buồng 
cháy chính tới tính năng của động cơ 
Đặng Tiến Hòa 
 - 207-
tăng tổn thất nhiệt và tổn thất l−u động của dòng chảy cháy rớt th−ờng kéo dài). Do 
C
lm
V
F
 lớn 
nên khó khởi động lạnh, muốn khắc phục phải tăng tỷ số nén ε hoặc dùng một thiết bị khởi động 
riêng. 
8.7.7. So sánh tính năng các loại buồng cháy (bảng10-1) 
Mỗi loại buồng cháy đều có −u nh−ợc điểm riêng và thích hợp với những điều kiện sử dụng 
nhất định. Ưu điểm các buồng cháy ngăn cách là: tính năng cao tốc tốt, ít ô nhiễm môi tr−ờng, 
tiếng ồn nhỏ.. vì vậy cần lựa chọn thích hợp theo điều kiện sử dụng thực tế. Nói chung động cơ 
diezen cỡ lớn, động cơ diezen xe tải nặng th−ờng dùng buồng cháy phun trực tiếp, các xe loại vừa 
(cả xe khách lẫn xe tải, dùng cả buồng cháy ngăn cách và buồng cháy phun trực tiếp, còn xe loại 
nhỏ chủ yếu dùng buồng cháy ngăn cách vì gây ô nhiễm ít. 
Bảng 10-1 
So sánh tính năng các loại buồng cháy 
Các tính năng Buồng cháy thống 
nhất 
Buồng cháy dự bị Buồng cháy xoáy lốc 
pe max(MPa) 0,75 0,75ữ0,8 0,8ữ0,85 
ge(g/kW.h) Khoảng 120 Khoảng 146 Khoảng 140 
nmax(vòng/phút) 3000 4000 4500 
pz max(MPa) 6ữ8 5ữ6 5ữ7 
tthải(
0C) 650(thấp) 750(cao) 750(cao) 
áp suất nâng kim 
phun p φ 
18ữ25 6,5ữ15 10ữ14 
Góc phun sớm(tr−ớc 
ĐCT) 
35ữ50 40ữ50 25ữ30 
Hệ số d− không khí 
α 
1,25ữ1,4 1,1 1,1 
Tỷ số nén ε 14ữ17(thấp) 18ữ22(cao) 17ữ20(cao) 
Tổn thất nhiệt cho 
n−ớc 
Nhỏ nhất Lớn Vừa 
đặc tính ô nhiễm Nhiều NOx động cơ 
nhỏ nhiều HC 
ít NOx ít NOx 
tính khởi động lạnh Tốt kém nhất kém 
Tổn thất cơ giới ít nhất Lớn Vừa 
Tiếng ồn khi cháy Lớn (trừ quá trình M) Nhỏ Vừa