Giáo án Bài 18. Nguyên lí làm việc của động cơ đốt trong

Gợi nhớ kiến thức nền về chuyển động của piston và trục khuỷu; xác định vấn đề cần giải quyết trong bài: vì sao một động cơ quay 2400 vòng/phút không có 2400 chu trình.

GV đưa mô hình tĩnh hoặc hình vẽ cắt bổ động cơ một xi lanh; yêu cầu HS xác định điểm chết trên và điểm chết dưới của piston. Câu hỏi: (1) Piston chuyển động giữa hai vị trí nào? (2) Khi trục khuỷu quay đủ một vòng, piston đã đi được bao nhiêu hành trình? (3) Nếu động cơ quay $2400$ vòng/phút, theo em có bao nhiêu chu trình trong một phút?

• Piston chuyển động giữa điểm chết trên (ĐCT) và điểm chết dưới (ĐCD); khoảng cách giữa hai điểm là hành trình piston.
• Một vòng quay trục khuỷu tương ứng với một hành trình đi lên hoặc một hành trình đi xuống (piston đi hai hành trình trong một vòng).
• Dự đoán ban đầu của HS được ghi vào vở; GV giữ lại để so sánh ở cuối tiết 2.

Mô tả được bốn hành trình (nạp, nén, cháy–giãn nở, thải) của động cơ bốn kì; nêu được trạng thái van và chiều chuyển động của piston trong mô hình lí tưởng; hiểu khái niệm chu trình bốn kì và hành trình piston.

Kĩ thuật mảnh ghép. Vòng 1: 4 nhóm chuyên gia, mỗi nhóm nghiên cứu một hành trình (nạp; nén; cháy–giãn nở; thải) trên mô hình hoặc sơ đồ chu trình bốn kì, điền vào Phiếu học tập số 1. Vòng 2: ghép nhóm mới gồm đủ 4 hành trình; mỗi thành viên trình bày hành trình mình nghiên cứu. Câu hỏi gợi ý: Piston đi theo chiều nào? Van nạp và van thải mở hay đóng? Trong hành trình này có sinh công không? Vì sao phải hai vòng quay để hoàn thành một chu trình?

Phiếu học tập số 1 đã hoàn thành, nội dung chính:

• Nạp: piston đi xuống, van nạp mở, van thải đóng.
• Nén: piston đi lên, hai van đóng.
• Cháy–giãn nở: piston đi xuống, hai van đóng, đây là kì sinh công.
• Thải: piston đi lên, van thải mở, van nạp đóng.
  Kết luận HS rút ra: Bốn hành trình hoàn thành một chu trình trong hai vòng quay trục khuỷu, tức $720^\circ$. Hành trình piston là khoảng cách giữa ĐCT và ĐCD; chu trình bốn kì là chu trình hoàn thành trong bốn hành trình và hai vòng trục khuỷu.

Phân biệt được cách hoàn thành chu trình của động cơ hai kì (hai hành trình, một vòng quay) với động cơ bốn kì; nêu được vai trò của cácte trong sơ đồ hai kì quét qua cácte ở mức mô tả nguyên lí.

HS làm việc theo cặp đôi, đọc mô tả động cơ hai kì quét qua cácte trong SGK và sơ đồ GV trình chiếu, sau đó lập bảng so sánh hai kì và bốn kì theo các tiêu chí: số hành trình, số vòng quay để hoàn thành chu trình, quá trình xảy ra trong hành trình đi lên, quá trình xảy ra trong hành trình đi xuống, cách nạp và thải. Câu hỏi: Vì sao một hành trình của động cơ hai kì có thể chứa nhiều quá trình? Xăng và Diesel khác nhau ở điểm nào trong cách nạp, tạo hòa khí và gây cháy?

Bảng so sánh (HS lập trên vở, nội dung chính):

• Bốn kì: 4 hành trình, 2 vòng quay, mỗi kì một quá trình chính; van nạp và van thải điều khiển trao đổi khí.
• Hai kì quét qua cácte: 2 hành trình, 1 vòng quay; hành trình đi lên vừa nén hòa khí trong xi lanh vừa tạo điều kiện nạp vào cácte, gần cuối nén có đánh lửa; hành trình đi xuống có giãn nở sinh công và nén hòa khí trong cácte; khi cửa mở, khí thải thoát và khí mới quét vào xi lanh.
• Kết luận: không gọi riêng một “kì nạp” theo cách bốn kì khi một hành trình chứa nhiều quá trình; mô tả trên chỉ là nguyên lí, không phải quy trình vận hành.

Vận dụng được công thức thể tích công tác, thể tích toàn phần, tỉ số nén và quy đổi đơn vị để tính trên số liệu cho sẵn; phân biệt dung tích công tác với tổng thể tích toàn phần.

GV nêu ví dụ nguyên tác: xi lanh tròn có đường kính $D=80\ \mathrm{mm}$, hành trình $S=90\ \mathrm{mm}$. Nhóm 4 HS làm Phiếu học tập số 2: (1) Đổi $D$, $S$ sang cm và tính $V_h$; (2) Tính $V_h$ cho bốn xi lanh giống nhau và đổi ra lít; (3) Tính tỉ số nén khi $V_c=50\ \mathrm{cm^3}$ và $V_h=450\ \mathrm{cm^3}$. Câu hỏi: Vì sao không lấy $V_a$ thay cho dung tích công tác khi ghi dung tích động cơ?

Phiếu học tập số 2 (kết quả):

• $D=8\ \mathrm{cm}$, $S=9\ \mathrm{cm}$; $V_h=\dfrac{\pi \cdot 8^2 \cdot 9}{4}=144\pi\ \mathrm{cm^3}\approx 452{,}4\ \mathrm{cm^3}$.
• Bốn xi lanh: $4V_h=576\pi\ \mathrm{cm^3}\approx 1{,}810\ \mathrm{L}$.
• Ví dụ $V_h=450\ \mathrm{cm^3}$, $V_c=50\ \mathrm{cm^3}$: $\varepsilon=\dfrac{450+50}{50}=10$; không lấy $\dfrac{450}{50}$ vì thiếu thể tích buồng cháy trong tử số.
• Kết luận: dung tích công tác không bằng tổng thể tích toàn phần; các kích thước phải cùng đơn vị, $1000\ \mathrm{mm^3}=1\ \mathrm{cm^3}$, $1000\ \mathrm{cm^3}=1\ \mathrm{L}$.

Củng cố khái niệm hành trình piston, chu trình bốn kì, tỉ số nén và sửa quan niệm sai về số vòng quay của chu trình bốn kì.

Bài 1: Trong nguyên lí làm việc của động cơ đốt trong, mô tả nào giải thích chính xác “Hành trình piston”? A. Chu trình hoàn thành trong bốn hành trình và hai vòng trục khuỷu; B. Khoảng cách giữa điểm chết trên và điểm chết dưới; C. Tỉ số thể tích toàn phần với thể tích buồng cháy.
Bài 2: Ghép từng khái niệm với mô tả đúng: Hành trình piston; Chu trình bốn kì; Tỉ số nén.
Bài 3: Động cơ bốn kì hoàn thành một chu trình chỉ trong một vòng trục khuỷu. Đúng hay sai?
Bài 4: Tỉ số thể tích toàn phần với thể tích buồng cháy là ……………… (điền thuật ngữ phù hợp).

Đáp án:

• Bài 1: B (hành trình piston là khoảng cách giữa điểm chết trên và điểm chết dưới; hai đáp án còn lại thuộc chu trình bốn kì và tỉ số nén).
• Bài 2: Hành trình piston – Khoảng cách giữa điểm chết trên và điểm chết dưới; Chu trình bốn kì – Chu trình hoàn thành trong bốn hành trình và hai vòng trục khuỷu; Tỉ số nén – Tỉ số thể tích toàn phần với thể tích buồng cháy.
• Bài 3: Sai. Bốn hành trình ứng với hai vòng, tức $720^\circ$ quay trục khuỷu.
• Bài 4: Tỉ số nén.

Vận dụng kiến thức chu trình và công thức tỉ số nén để chọn kết luận có căn cứ và tính đúng trên số liệu cho sẵn.

Bài 6: Một xi lanh có thể tích công tác $450\ \mathrm{cm^3}$, buồng cháy $50\ \mathrm{cm^3}$. Tỉ số nén bằng bao nhiêu?
Bài 7: Chọn đúng hai kết luận có căn cứ: A. Bốn hành trình ứng với hai vòng, tức $720^\circ$ quay trục khuỷu; B. Động cơ bốn kì hoàn thành một chu trình chỉ trong một vòng trục khuỷu; C. Chu trình bốn kì là chu trình hoàn thành trong bốn hành trình và hai vòng trục khuỷu.

Đáp án:

• Bài 6: $\varepsilon=\dfrac{450+50}{50}=10$. Không lấy riêng $\dfrac{450}{50}$ vì thiếu thể tích buồng cháy trong tử số.
• Bài 7: Chọn A và C. Ý A đúng theo số hành trình và số vòng quay; ý C đúng theo định nghĩa; ý B sai vì suy luận vượt điều kiện đã cho.

Vận dụng kiến thức chu trình để lập hồ sơ kết luận có bằng chứng và nêu giới hạn an toàn cho tình huống thực tế, giải thích vì sao kết quả không phải 2400.

Tình huống giả định: Động cơ một xi lanh bốn kì quay $2400$ vòng/phút. Yêu cầu HS viết hồ sơ ngắn gồm: (1) số chu trình trong một phút và cách tính; (2) giải thích vì sao không phải 2400; (3) giới hạn an toàn và giới hạn của mô hình. Đây là hồ sơ giả định, không yêu cầu thao tác vật lí trên máy.

Hồ sơ mẫu đạt yêu cầu (tối đa 1 điểm):

• Tiêu chí 1 (0,25 điểm): Có $1200$ chu trình mỗi phút.
• Tiêu chí 2 (0,25 điểm): Mỗi chu trình cần hai vòng nên $\dfrac{2400}{2}=1200$.
• Tiêu chí 3 (0,25 điểm): Kết quả là chu trình của một xi lanh, không phải tổng số lần sinh công của động cơ nhiều xi lanh; tính theo mô hình lí thuyết, không đo bằng cách tiếp cận chi tiết đang quay.
• Tiêu chí 4 (0,25 điểm): Nêu giới hạn an toàn: chỉ quan sát và tính trên mô hình tĩnh hoặc số liệu cho sẵn, không tháo máy đang nóng.
  Cách chấm: đủ nội dung đạt 0,25; đúng nhưng thiếu căn cứ hoặc chi tiết đạt 0,125; sai hoặc thiếu đạt 0.