[Discovery] Tìm hiểu về động cơ của xe ô tô


Những chiếc ô tô đang ngày càng trở nên quen thuộc trong cuộc sống hiện đại ngày này, trở thành một trong những phương tiện đi lại chính của con người. Để có thể tạo nên một chiếc ô tô hoàn thiện yêu cầu rất nhiều công nghệ khác nhau như cơ khí, điện, điện tử kết hợp lại. Những chiếc ô tô ngày này cũng đã khác xa so với những chiếc xe của thế kỷ trước, với rất nhiều cải tiến về công nghệ từđộng cơ, nhiên liệu, hệ thống điều khiển v.v…

Tìm hiểu về động cơ của xe ô tô (Phần I)

Trong loạt bài sắp tới của Genk, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu những công nghệ hiện đại được sử dụng trên những chiếc ô tô ngày nay, góp phần giúp bạn đọc nâng cao kiến thức và hiểu biết về một trong những phương tiện đi lại phổ biến hiện nay và trong tương lai. Trong bài viết này, chúng ta sẽ cùng tiềm hiểu về động cơ của xe ô tô, trái tim của chiếc xe.

Động cơ đốt trong

Động cơ được sử dụng trong các loại xe ô tô ngày nay đều là động cơ đốt trong, sử dụng nhiên liệu là xăng hoặc dầu diesel. Nguyên tắc hoạt động của nó dựa trên cơ chế khi sử dụng một lượng nhỏ nhiên liệu năng lượng cao như xăng (hoặc dầu diesel) trong một không gian khép kín nhỏ và đốt cháy, một lượng lớn năng lượng sẽ được sinh ra thông qua sức ép không khí giãn nở. Năng lượng này có thể làm một củ khoai tây bay xa 150m.

 Tìm hiểu về động cơ của xe ô tô (Phần I)

Động cơ đốt trong sử dụng nguyên lý đó với một chu trình khép kín với các vụ nổ xảy ra hàng trăm lần mỗi phút bên trong xilanh động cơ. Hỗn hợp không khí và nhiên liệu (gọi là hoà khí được đốt trong cylinder của động cơ đốt trong. Khi đốt cháy nhiệt độ tăng làm cho khí đốt giãn nở tạo nên áp suất tác dụng lên một piston (pít-tông) đẩy piston này di chuyển đi. Hầu hết tất cả các xe ô tô hiện nay đều sử dụng một động cơ với chu kỳ 4 thì để chuyển đổi xăng thành năng lượng chuyển động, hay còn gọi là động cơ 4 thì. Các thì bao gồm: nạp, nén, đốt và xả.

Tìm hiểu về động cơ của xe ô tô (Phần I)

– Trong kì thứ nhất (nạp – van nạp mở, van xả đóng), hỗn hợp không khí và nhiên liệu được “nạp” vào cylinder trong lúc piston chuyển động từ điểm chết trên (ĐCT) xuống điểm chết dưới (ĐCD).

– Trong kì thứ hai (nén – hai van đều đóng), piston nén hỗn hợp khí và nhiên liệu trong cylinder khi chuyển động từ ĐCD lên ĐCT. Ở cuối kì thứ hai (piston ở tại ĐCT), hỗn hợp khí và nhiên liệu được đốt trong động cơ xăng bằng bộ phận đánh lửa gọi là bougie (bu-gi), trong động cơ diesel bằng cách tự bốc cháy.

– Trong kì thứ ba (sinh công – các van vẫn tiếp tục được đóng), hỗn hợp khí và nhiên liệu được đốt cháy. Vì nhiệt độ tăng dẫn đến áp suất của hỗn hợp khí tăng và làm cho piston chuyển động từ ĐCT xuống ĐCD. Chuyển động tịnh tiến của piston được chuyển bằng thanh truyền (còn gọi là tay biên) đến trục khuỷu và được biến đổi thành chuyển động quay.

– Trong thì thứ tư (xả – van nạp đóng, van xả mở) piston chuyển động từ ĐCD lên ĐCT đẩy khí từ trong cylinder qua ống xả (thường gọi là ống bô) thải ra môi trường.

Chuyển động của piston ở kì thứ nhất, hai và bốn là nhờ vào năng lượng được tích trữ bởi bánh đà gắn ở trục khuỷu trong kì thứ ba (thì sinh công). Một động cơ bốn kì vì thế có góc đánh lửa là 720 độ tính theo góc quay của trục khuỷu tức là khi trục khuỷu quay 2 vòng thì mới có một lần đánh lửa. Có thêm nhiều cylinder thì góc đánh lửa sẽ nhỏ đi, năng lượng đốt được đưa vào nhiều hơn trong hai vòng quay của trục khuỷu sẽ làm cho động cơ chạy êm hơn.

Việc thay thế khí thải bằng hỗn hợp khí mới được điều khiển bằng trục cam. Trục này được gắn với trục khuỷu, quay có giảm tốc 1:2, đóng và mở các van trên đầu cylinder của động cơ. Thời gian trục khuỷu đóng và mở các van được điều chỉnh sao cho van nạp và van xả được mở cùng một lúc trong một thời gian ngắn khi chuyển từ kì xả sang kì nạp. Khí thải thoát ra với vận tốc cao sẽ hút khí mới vào buồng đốt nhằm nạp khí mới vào cylinder tốt hơn và tăng áp suất đốt.

Các thuật ngữ hay sử dụng

Khi đọc thông số về một chiếc xe ô tô, bạn thường thấy người ta ký hiệu ví dụ như: động cơ V8 dung tích 6L, công suất tối đa 730 mã lực và mô men xoắn cực đại 1.000 Nm. Vậy ý nghĩa của những ký hiệu này là gì?

Trước tiên chúng ta sẽ tìm hiểu về dung tích xilanh. Dung tích xilanh là thể tích của tất cả các xilanh bên trong của động cơ, thường đo bằng đơn vị lít hoặc cc (cm3, 1000cm3=1L). Nếu bạn có một động cơ 4 xilanh và mỗi xilanh có dung tích khoảng nửa lít thì động cơ của bạn có dung tích 2.0 lít. Thông thường dung tích xilanh cho bạn biết về công suất của động cơ. Do đó bạn có thể hiểu đơn giản dung tích xilanh càng lớn thì động cơ càng khỏe, do có thể chứa nhiều nhiên liệu hơn trong mỗi chu kỳ.

Bên cạnh dung tích xilanh, người ta thường ghi các ký hiệu như I4, V8. Các ký hiệu I và V là kiểu sắp xếp của xilanh trong động cơ, theo kiểu thẳng hàng (ký hiệu I) hay theo kiểu chữ V, bạn có thể xem hình mô phỏng các kiểu động cơ này ở bên dưới. Còn chữ số phía sau là số lượng xilanh trong động cơ.

Tìm hiểu về động cơ của xe ô tô (Phần I)

Mã lực (sức ngựa) là đơn vị được sử dụng để đo công suất của mỗi chiếc xe ô tô, thường được viết tắt là hp (horse Power). 1hp được tính tương đương bằng một con ngựa trung bình nâng 15kg gramlên cao 30,48 cm trong 1 phút.

Mô men xoắn (Torque) là khái niệm khá phức tạp. Trong ô tô, một cái động cơ có thể tạo ra lực 1N với cánh tay đòn 1m thì có mômen xoắn là 1Nm. Nếu cái động cơ này quay với tốc độ 60 vòng/phút hay 1 vòng/s thì trong 1s, quãng đường di chuyển của lực 1N sẽ là 3.14x2m=6.28m. Do đó, công sinh ra trong 1s sẽ là 6.28Nm, nghĩa là công suất là 6.28W. Tuy nhiên cái cần quan tâm là động cơ đạt được dải mômen tối đa bắt đầu từ tốc độ vòng quay nào, và duy trì đuợc dải mômen tối đa cho đến vòng quay nào. Hiểu đơn giản, mô men xoắn cực đại càng lớn thì chiếc xe có lực kéo càng khỏe, giúp nó vượt chướng ngại vật hoặc kéo xe, trở hàng … Khi thiết kế động cơ của xe tải hay xe địa hình thì tốc độ không phải vấn đề quan trọng, mà là lực kéo khi ở vòng quay thấp.

Các bộ phận chính

Bộ phận chính của động cơ là các xilanh, với piston di chuyển lên xuống bên trong xilanh. Hầu hết các động cơ ô tô đều có nhiều hơn 1 xilanh, thông thường là 4, 6 hoặc 8 xilanh, đối với những chiếc xe thể thao có thể là 12 hoặc 16 xilanh. Đối với động cơ nhiều xilanh, các xilanh được sắp xếp thành một trong những cách sau: thành một hàng dọc (xilanh xếp thẳng hàng), thành hình chữ V (xilanh xếp hình chữ V) , hai xilanh xếp đối nhau nằm ngang (xilanh xếp đối đỉnh).

Động cơ xilanh xếp thẳng hàng.

Động cơ xilanh xếp thẳng hàng.

Động cơ xilanh xếp hình chữ V.

Động cơ xilanh xếp hình chữ V.

Đông cơ xilanh xếp đối đỉnh.

Đông cơ xilanh xếp đối đỉnh.

Bugi

Bugi trong động cơ ô tô cũng giống với xe máy, có nhiệm vụ tạo tia lửa điện để đốt hỗn hợp không khí và nhiên liệu trong xilanh. Tia lửa điện phải được tạo ra đúng thời điểm cuối của kỳ nén để tạo hiệu suất tối đa.

Van (xu-páp)

Tìm hiểu về động cơ của xe ô tô (Phần I)

Van xả và hút đóng mở đúng thời điểm để cung cấp nhiên liệu cũng như giúp khí thải thoát ra. Trong kỳ nén và đốt thì các van này được đóng kín. Các van này hoạt động nhờ hệ thống trục cam có cấu tạo như hình dưới.

Trục cam

Tìm hiểu về động cơ của xe ô tô (Phần I)

Trên trục cam có các mấu cam, khi quay các mấu cam này sẽ đẩy van xuống giúp van mở ra. Có hai loại trục cam là trục cam đơn và trục cam kép, trục cam đơn sẽ điều khiển sự đóng mở của cả van hút và xả. Trong khi đó trục cam kép có hai trục cam điều khiển riêng biệt van hút, xả.

Trục khuỷu

Tìm hiểu về động cơ của xe ô tô (Phần I)

Trục khuỷu dùng để biến đổi chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay giống như trục ở bộ bánh vít – trục vít.

Trong phần II của bài viết chúng ta sẽ tìm hiểu cách thức hoạt động của từng hệ thống trong động cơ và một số công nghệ hiện đại mà các nhà sản xuất ô tô đang sử dụng.

Trong phần I của bài viết chúng ta đã được tìm hiểu cấu tạo cơ bản của một chiếc động cơ đốt trong trên xe ô tô, cùng với một số thuật ngữ hay dùng để chỉ công suất và độ mạnh yếu của một chiếc động cơ. Trong phần hai này, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu xem các hệ thống trong một chiếc động cơ hoạt động như thế nào?

Tìm hiểu về động cơ của xe ô tô (Phần II)

Động cơ ô tô là một trong những thành phần có cấu tạo và hoạt động phức tạp nhất trong cả chiếc xe, bên cạnh xilanh và hệ thống truyền động, nạp nhiên liệu, một chiếc động cơ còn phải có các hệ thống như hệ thống đánh lửa, hệ thống làm mát, hệ thống nạp và khởi động, hệ thống bôi trơn, hệ thống cung cấp và xả nhiên liệu, hệ thống khí thải và hệ thống điện. Trước tiên chúng ta sẽ tìm hiểu về cách thức hoạt động của từng hệ thống này.

Hệ thống nạp nhiên liệu

Hệ thống nạp nhiên liệu có nhiệm vụ cung cấp hỗn hợp nhiên liệu bao gồm xăng/dầu và không khí vào xilanh. Hệ thống nhiên liệu được chia thành 3 loại: Chế hòa khí, phun nhiên liệu gián tiếp và phun nhiên liệu trực tiếp. Các động cơ ô tô và xe máy trước đây thường sử dụng bộ chế hòa khí để trộn hỗn hợp nhiên liệu và không khí, do cấu tạo đơn giản, nhỏ gọn và giá thành rẻ. Tìm hiểu về động cơ của xe ô tô (Phần II)

Tuy nhiên sau những năm 1980, hầu hết các động cơ ô tô chạy xăng đều sử dụng bộ phun nhiên liệu trực tiếp. Sau này, các động cơ được trang bị công nghệ hiện đại hơn với hệ thống phun nhiêu liệu điện tử EFI (Electronic Fuel Injection). EFI có rất nhiều ưu điểm so với bộ chế hòa khí, như có thể tạo tỷ lệ gần ngưỡng lý tưởng ở tất cả các xi-lanh, tùy theo điều kiện vận hành của chúng. Bên cạnh đó EFI có thể điều chỉnh lượng xăng theo từng chế độ vận hành của động cơ. Tuy nhiên, rắc rối của EFI bắt nguồn từ chính sự phức tạp của nó, khiến cho việc bảo dưỡng và sửa chữa gặp nhiều khó khăn. Chúng ta sẽ tìm hiểu kỹ hơn về hệ thống EFI trong một bài viết khác của Genk.

Hệ thống xả khí thải

Tìm hiểu về động cơ của xe ô tô (Phần II)

Hệ thống xả bao gồm đường ống xả và bộ giảm thanh. Nếu không có bộ giảm thanh thì bạn sẽ nghe thấy âm thanh của hàng ngàn tiếng nổ thoát ra từ đường ống xả. Bộ giảm thanh sẽ làm giảm âm lượng tiếng nổ của động cơ. Hệ thống xả còn có bộ lọc xúc tác nhằm lọc bớt các chất độc hại của khí thải trước khi thải chúng ra ngoài môi trường.

Hệ thống đánh lửa

 Tìm hiểu về động cơ của xe ô tô (Phần II)

Hệ thống đánh lửa có tác dụng sinh ra nguồn điện cao áp và đưa đến nến điện sinh ra tia lửa đốt cháy nhiên liệu. Bạn dễ dàng tìm ngay ra hệ thống đánh lửa nhờ bộ phân phối điện (chia điện). Bộ chia điện có một đường dây cao áp nối vào trung tâm (còn gọi là dây cao áp chính) và có 4, 6 hoặc 8 dây cao áp nối với các bugi (gọi là dây cao áp con, số dây cao áp con phụ thuộc vào số xilanh của động cơ). Bộ chia điện sẽ phân phối cho mỗi xilanh nhận được nguồn điện cao áp một lần trong một chu trình vào đúng thời điểm thích hợp của kỳ nén để quá trình cháy hoàn hảo nhất, động cơ sẽ hoạt động hiệu quả và êm dịu nhất.

Hệ thống làm mát

 Tìm hiểu về động cơ của xe ô tô (Phần II)

Hệ thống làm mát trên xe hơi gồm có bộ tản nhiệt (két nước làm mát) và bơm nước cùng các ống dẫn và cảm biến nhiệt độ. Nước được luân chuyển trong động cơ và đi ra ngoài tới két mát để làm lạnh. Một số xe ô tô, trong đó có Volswagen Beetles và các xe mô tô hay máy cắt cỏ, động cơ được làm mát bằng không khí (các động cơ này rất dễ nhận ra bởi các cánh tản nhiệt bên ngoài mỗi xi lanh). Tản nhiệt không khí có ưu điểm là trọng lượng của động cơ nhẹ hơn nhưng mức độ tản nhiệt kém hơn làm mát bằng nước nên nhiệt độ động cơ nóng hơn, hiệu suất và tuổi thọ giảm đi.

Hệ thống nạp và hệ thống khởi động

Đa số các xe ô tô sử dụng hệ thống nạp bình thường (tức là hút khí tự nhiên nhờ độ chênh áp giữa áp suất của không khí bên ngoài và độ chân không trong xilanh). Đối với các ô tô hiện đại, để tăng hiệu suất động cơ người ta sử dụng hệ thống nạp khí Turbocharged hoặc Supercharged để tăng lượng không khí nạp vào động cơ đồng thời tăng mức độ hòa trộn không khí và nhiên liệu giúp cho áp suất nén tăng lên, quá trình cháy hoàn hảo hơn và hiệu suất cao hơn. Bộ Turbocharged sử dụng một tuabin nhỏ nhờ năng lượng của dòng khí thải làm quay máy nén khí còn bộ Supercharged lại sử dụng trực tiếp nguồn công suất của động cơ để làm quay máy nén khí.

Hệ thống khởi động gồm có một động cơ điện và một cuộn dây khởi động từ. Khi bạn bật khóa điện khởi động, động cơ điện làm quay trục khuỷu động cơ vài vòng để tạo nên quá trình nén, nổ. Động cơ khởi động cần phải thắng được những sức cản sau:

– Toàn bộ lực ma sát của động cơ

– Lực nén của xilanh động cơ (đối với xilanh nào đó đang ở quá trình nén)

– Phần năng lượng để trục cam đóng và mở xu-páp

– Tất cả những hệ thống phụ khác như bơm nước làm mát, bơm dầu, máy phát điện,…

Vì nguồn điện từ ắc quy của xe chỉ là 12 V trong đó công suất của động cơ điện lại phải rất lớn để thắng được những lực cản trên đây, nên dòng điện sử dụng cho động cơ điện khá cao. Để tăng độ bền cho hệ thống khởi động cần phải giảm tải cho khóa điện bằng cách sử dụng khởi động từ đóng mở dòng điện vào động cơ điện. Như vậy khi bạn bật khóa điện khởi động động cơ, bạn đã cấp điện cho khởi động từ làm việc để đóng mở nguồn điện cho máy khởi động.

Hệ thống bôi trơn

Tìm hiểu về động cơ của xe ô tô (Phần II)

Hệ thống bôi trơn có tác dụng đưa dầu bôi trơn đến các bề mặt của các chi tiết chuyển động của động cơ để chúng di chuyển dễ dàng hơn. Có hai cụm chi tiết chính cần bôi trơn, đó là piston và các ổ bi hoặc bạc trục khuỷu và trục cam của động cơ. Đối với đa số động cơ, dầu bôi trơn được hút từ bình chứa dầu sau đó qua bộ lọc và được nén dưới áp suất cao đến các bề mặt bạc lót và thành xilanh. Sau đó lượng dầu này lại chảy về đáy các-te để tiếp tục một chu trình tuần hoàn mới.

Hệ thống điện

Hệ thống điện gồm có nguồn điện (ắc quy) và máy phát điện. Máy phát điện dẫn động bằng dây đai và sinh ra điện năng để nạp cho ắc quy. Nguồn điện 12 vôn của ắc quy sẽ cung cấp cho toàn bộ hệ thống điện như hệ thống đánh lửa, radio, đèn pha, bộ rửa kính điện, hệ thống đóng cửa điện,… nhờ hệ thống dây điện của xe.

Các công nghệ hiện đại trong động cơ ô tô ngày nay

Công nghệ tăng áp

Tìm hiểu về động cơ của xe ô tô (Phần II)

Chúng ta vẫn thường nghe thấy thuật ngữ động cơ turbo tăng áp hay twin turbo tăng áp kép, vậy công nghệ tăng áp trong động cơ là gì? Động cơ cần 3 thứ để hoạt động: nhiên liệu, không khí và đánh lửa. Nén nhiều không khí hơn vào xi-lanh sẽ tạo ra nhiều công suất hơn cho động cơ, quá trình này thường dùng một bộ phận hay gọi là turbocharger hay supercharger. Nhiệm vụ của các bộ phận này là nén không khí vào buồng đốt ở áp suất cao tạo ra tỉ số nén cao hơn. Gần giống như việc overclocking trên máy tính, việc tăng áp trong động cơ giúp những chiếc xe đạt được sức mạnh lớn hơn.

Trục cam đặt phía trên

Tìm hiểu về động cơ của xe ô tô (Phần II)

DOHC (hệ thống cam đôi) đề cập đến số cam trên mỗi xi-lanh trong động cơ. Trục cam có nhiệm vụ kiểm soát lưu lượng nhiên liệu và không khí đi vào trong buồng đốt. Trục cam nằm phía trên cho phép có nhiều van nạp và xả trên động cơ, đồng nghĩa với việc có nhiều nhiên liệu, không khí được phép vào buồng đốt hơn. Bên cạnh đó, xả khí đạt được hiệu suất cao, thêm công suất của động cơ.

Kiểm soát thời điểm đóng mở van

Tìm hiểu về động cơ của xe ô tô (Phần II)

Máy tính sẽ tính toán lúc nào cần nạp thêm không khí và nhiên liệu vào để có thể tăng tốc tốt hay giảm lượng nạp khi động cơ hoạt động ở tốc độ thấp hơn. Toyota gọi công nghệ này là VVT-I (variable valve timing with intelligence), Honda là VTEC và BMW có công nghệ Valvetronic.

Máy tính kiểm soát động cơ

Ôtô ngày nay thường có một bộ phận kiểm soát các hoạt động của chúng bằng một bộ phận gọi là ECU (Engine Control Unit). Bộ phận này kiểm soát chặt chẽ khoảng thời gian đánh lửa của bugi, lượng khí và nhiên liệu nạp… Bên cạnh đó còn có một máy tính khác kiểm soát hệ thống điện, túi khí, nhiệt độ, hệ thống chống bó cứng phanh (ABS).

Động cơ diesel thế hệ mới

 Tìm hiểu về động cơ của xe ô tô (Phần II)

Động cơ diesel hiện đại ngày nay mạnh hơn, sạch và tiết kiệm nhiên liệu hơn rất nhiều so với trước kia. Những cỗ máy này sử dụng dầu diesel ít lưu huỳnh hơn, giảm các chất độc hại trong khí thải. Các động cơ diesel của Volkswagen, Mercedes, BMW… đều sử dụng tăng áp hay phun nhiên liệu trực tiếp để đạt hiệu quả cao. Đây cũng là một yếu tố phải cân nhắc khi khách hàng chọn mua xe.

Động cơ lai (Hybrid)

 Tìm hiểu về động cơ của xe ô tô (Phần II)

Giá nhiên liệu tăng cao cùng sự quan tâm lớn đến môi trường dẫn đến những thay đổi mà đáng kể nhất là động cơ hybrid. Động cơ kết hợp giữa động cơ điện hiện đại và động cơ đốt trong kiểu truyền thống nhằm mục đích giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ và thải ra ít chất độc hại hơn. Toyota Prius là ô tô hybrid bán ra nhiều nhất tại Mỹ. Động cơ đốt trong 1.8L đi cùng một mô-tơ điện sản sinh ra công suất 134 mã lực. Ở tốc độ thấp, động cơ điện sẽ hoạt động và xe hoàn toàn không sử dụng nhiên liệu. Khi chạy ở tốc độ cao sẽ là sự kết hợp của truyền thống và hiện đại. Lượng tiêu thụ nhiên liệu vào khoảng 4,7 lít/100 km cho đường hỗn hợp.

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s