Động cơ ô tô là một thiết bị phức tạp được lắp đặt trong khoang động cơ của ô tô. Nó có các bộ phận chính bao gồm hệ thống nạp, hệ thống làm mát, hệ thống đánh lửa, hệ thống phun nhiên liệu và hệ thống khởi động. Mỗi bộ phận có chức năng đặc biệt để đảm bảo hoạt động hiệu quả của động cơ ô tô.
Động cơ ô tô là gì?
Động cơ ô tô là thiết bị chuyển đổi năng lượng từ nguồn nhiên liệu như xăng, dầu hoặc điện thành động năng. Nó là bộ phận quan trọng nhất trong cấu trúc ô tô và được coi như “trái tim” của xe. Động cơ tạo ra công suất và mô men xoắn để đưa xe di chuyển bằng cách quay các bánh xe. Ngoài ra, động cơ còn dẫn động các hệ thống phụ trợ khác trên xe, chẳng hạn như máy phát điện và hệ thống trợ lực lái.
Các loại động cơ ô tô
Động cơ ô tô hiện nay được phân thành nhiều loại, trong đó ba loại phổ biến nhất là động cơ đốt trong (sử dụng xăng hoặc dầu Diesel), động cơ điện và động cơ lai hybrid.
Động cơ đốt trong
Động cơ nhiệt chia thành hai loại chính là động cơ đốt trong và động cơ đốt ngoài. Tuy nhiên, động cơ đốt trong với hiệu suất cao hơn và tiêu thụ ít nhiên liệu hơn được sử dụng rộng rãi trên nhiều loại phương tiện, đặc biệt là ô tô và xe máy, bởi kích thước nhỏ gọn và trọng lượng nhẹ. Động cơ đốt trong hoạt động dựa trên nguyên lý đốt cháy nhiên liệu sinh nhiệt để biến đổi năng lượng thành công cơ học dưới dạng mô men quay. Có hai loại động cơ đốt trong là động cơ xăng (sử dụng xăng) và động cơ Diesel (sử dụng dầu). Trong đó, động cơ xăng được ưa chuộng hơn do tăng tốc mượt mà và êm ái hơn.
Hiện nay, phần lớn các xe ô tô sử dụng động cơ đốt trong. Tuy nhiên, với xu hướng “xanh hoá” ngành ô tô, trong tương lai, các loại động cơ sử dụng nhiên liệu “sạch” như động cơ điện hay động cơ lai hybrid sẽ dần thay thế động cơ đốt trong.
Động cơ điện
Động cơ điện là một trong những loại động cơ được phát triển để giảm thiểu khí thải ô nhiễm và tiết kiệm nhiên liệu. Nó hoạt động bằng cách biến đổi điện năng thành động năng. Điều này khác với động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu để sinh ra động năng. Thay vì sử dụng nhiên liệu, động cơ điện sử dụng pin (Lithium-ion) để cung cấp điện cho động cơ cảm ứng gồm stator và rotor. Khi stator được cấp điện, nó tạo ra từ trường, giúp rotor quay và đưa năng lượng cơ học đến bánh xe, giúp xe chạy. Các nhà sản xuất ô tô, như Tesla và Toyota, đã tiên phong trong việc sử dụng động cơ điện trên xe hơi.
Động cơ hybird
Động cơ hybrid là một loại động cơ kết hợp giữa động cơ điện và động cơ đốt trong hoạt động song song để cung cấp năng lượng. Động cơ hybrid được phân thành nhiều loại, bao gồm nối tiếp, song song và hỗn hợp, và vai trò dẫn động chính sẽ tùy thuộc vào từng loại. Tuy nhiên, tại Việt Nam, xe sử dụng động cơ hybrid vẫn chưa phổ biến, với Toyota Corolla Altis SUV 5 chỗ là mẫu xe hiếm hoi trong phân khúc phổ thông.
Cấu tạo động cơ đốt trong
Trong động cơ đốt trong, hệ thống quan trọng nhất là cơ cấu sinh lực gồm:
-
Xi lanh là phần bọc ngoài bảo vệ buồng đốt trong động cơ, nơi mà hỗn hợp khí và nhiên liệu được đốt cháy. Đây cũng là không gian mà piston di chuyển lên và xuống. Động cơ ô tô có thể có từ 3 đến 12 xi lanh, với 4, 6 và 8 xi lanh là phổ biến nhất. Các kiểu bố trí xi lanh bên trong động cơ bao gồm xếp thẳng hàng chữ I, xếp đối đỉnh chữ V, chữ W và động cơ Boxer.
-
Piston có hình dạng trụ và di chuyển lên và xuống trong xi lanh, kết nối với thanh truyền. Khi hỗn hợp khí và nhiên liệu được đốt cháy, áp suất cao sẽ đẩy piston di chuyển, truyền lực lên thanh truyền để quay trục khuỷu. Vòng găng piston (xéc-măng) được gắn trên piston để đảm bảo buồng đốt đóng kín và ngăn chặn khí thải hay dầu bôi trơn rò rỉ vào buồng đốt.
-
Xupap có hình dạng nấm và hoạt động như một loại van, giúp kiểm soát thời gian và lưu lượng hỗn hợp khí cháy trong động cơ. Nó làm nhiệm vụ đóng/mở van nạp và van xả của buồng đốt.
-
Bugi tạo tia lửa để kích hoạt quá trình đốt cháy hỗn hợp khí và nhiên liệu trong buồng đốt động cơ.
-
Trục cam có nhiều mấu cam, khi quay sẽ điều khiển xupap để đóng/mở van nạp và van xả trong xi lanh. Trục cam có thể là loại đơn (SOHC) hoặc đôi (DOHC), với trục cam đơn điều khiển cả van nạp và van xả, trong khi trục cam đôi có hai trục, một điều khiển van nạp và một điều khiển van xả.
-
Thanh truyền kết nối piston và trục khuỷu để chuyển động thẳng của piston thành chuyển động xoay tròn trên trục khuỷu. Trục khuỷu nhận lực từ thanh truyền và biến đổi thành mô men quay sinh công truyền đến bộ phận công tác, đồng thời nhận năng lượng từ bánh đà truyền ngược lại cho piston để thực hiện quá trình sinh công. Trên trục khuỷu được lắp đặt cảm biến vị trí để xác định vị trí và tốc độ quay của trục khuỷu, sau đó truyền về ECU động cơ để tính toán thời điểm phun nhiên liệu và đánh lửa chính xác.
-
Dây curoa có tác dụng kết nối các bánh răng trục cam và trục khuỷu để đảm bảo sự đồng bộ trong chuyển động của các trục và giúp xupap đóng và mở van đúng thời điểm. Ngoài ra, dây curoa còn ngăn piston va vào van.
-
Các-te là bộ phận bao quanh trục khuỷu. Đáy các-te được lấp đầy dầu bôi trơn để giúp bôi trơn, làm mát và làm sạch các chi tiết khi động cơ hoạt động.
Nguyên lý làm việc động cơ đốt trong
-
Động cơ đốt trong ô tô hoạt động bằng cách nén hỗn hợp không khí và nhiên liệu trong một không gian nhỏ, sau đó đốt cháy để sinh ra năng lượng. Năng lượng này đẩy piston di chuyển và động cơ sử dụng một chu trình khép kín với hàng trăm lần đốt cháy mỗi phút. Đa số xe ô tô hiện nay sử dụng động cơ 4 thì (4 kỳ) với 4 chu kỳ hoạt động: nạp, nén, đốt và xả.
-
Trong kỳ nạp, van nạp mở và van xả đóng, cho phép hỗn hợp khí và nhiên liệu được nạp vào xi lanh trong khi piston chuyển động từ điểm chết trên xuống điểm chết dưới. Kỳ nén xảy ra khi piston chuyển động từ điểm chết dưới lên điểm chết trên để nén hỗn hợp khí và nhiên liệu. Ở cuối kỳ nén, bugi sẽ đánh lửa để đốt cháy hỗn hợp khí và nhiên liệu trong kỳ đốt (nổ). Hỗn hợp khí và nhiên liệu đốt cháy tạo ra áp suất cao, đẩy piston chuyển động từ điểm chết trên xuống điểm chết dưới, tác dụng lên thanh truyền, rồi đến trục khuỷu và được biến đổi thành chuyển động quay. Kỳ xả xảy ra khi piston chuyển động từ điểm chết dưới lên điểm chết trên để đẩy khí thải trong xi lanh qua van xả và đưa ra ngoài hệ thống khí thải.
-
Năng lượng tích trữ bởi bánh đà gắn ở trục khuỷu trong kỳ đốt sinh công là chủ yếu giúp cho chuyển động của piston trong các kỳ nạp, nén và xả. Với một xi lanh, mỗi lần đốt diễn ra sau hai vòng quay của trục khuỷu. Động cơ với nhiều xi lanh có góc đánh lửa chia nhỏ hơn, giúp sinh công đều và động cơ vận hành êm hơn. Hiện nay, để tối ưu hiệu suất động cơ, các hãng ô tô phổ biến đang áp dụng công nghệ van biến thiên. Công nghệ này giúp tự động điều chỉnh thời gian mở và độ mở của van nạp linh hoạt theo từng tình trạng phối khí thực tế, để giúp tăng hiệu quả động cơ. Các hãng xe đã phát triển hệ thống riêng cho mình dựa trên nguyên lý này, ví dụ như VVT-i của Toyota, i-VTEC của Honda, MIVEC của Mitsubishi, VANOS của BMW, VVT của Suzuki, và CVVD của Hyundai.
ECU động cơ
ECU (Electronic Control Unit) là bộ xử lý trung tâm, chịu trách nhiệm điều khiển mọi hoạt động của động cơ và các thiết bị điện tử trên xe. Dữ liệu từ các cảm biến như cảm biến kích nổ, cảm biến vị trí bướm ga và cảm biến vị trí trục khuỷu được chuyển đến ECU để tính toán và đưa ra lệnh điều khiển cơ cấu thực hiện các hoạt động hợp lý và chính xác theo điều kiện thực tế.
ECU điều khiển hệ thống nạp nhiên liệu, hệ thống đánh lửa và đặc biệt là hệ thống van biến thiên. Mục đích chính của ECU là giúp xe vận hành ổn định, an toàn, tiết kiệm nhiên liệu, giảm thiểu khí thải và đảm bảo các cơ cấu hoạt động tối ưu ở các chế độ khác nhau.
Ngoài ra, ECU còn can thiệp vào các hệ thống an toàn ô tô như hệ thống chống bó cứng phanh, hệ thống cân bằng điện tử và hệ thống điều khiển hành trình cùng với các hệ thống thông minh khác trên xe.
Các hệ thống phụ trợ động cơ
Để động cơ hoạt động ngoài cơ cấu sinh lực còn cần có nhiều hệ thống phụ trợ khác như:
Hệ thống nạp nhiên liệu
-
Chức năng của hệ thống nạp nhiên liệu là cung cấp hỗn hợp nhiên liệu và không khí vào buồng đốt. Hiện nay, hệ thống nhiên liệu được chia thành ba loại: chế hoà khí, phun nhiên liệu gián tiếp và phun nhiên liệu trực tiếp. Thông thường, các xe ô tô sử dụng hệ thống phun nhiên liệu gián tiếp hoặc trực tiếp vào xi lanh hoặc phía trên cổng nạp.
-
Hệ thống nạp nhiên liệu bao gồm các bộ phận chính như bình nhiên liệu để trữ nhiên liệu, bơm nhiên liệu đưa nhiên liệu đến kim phun, lọc nhiên liệu để loại bỏ tạp chất, bộ điều áp nhiên liệu để điều chỉnh áp suất phù hợp cho việc bơm nhiên liệu và kim phun để phun nhiên liệu vào buồng đốt chính xác về thời gian và lượng mức.
Hệ thống nạp khí
-
Hệ thống nạp không khí đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp oxy cần thiết để đốt cháy nhiên liệu. Hầu hết các xe phổ thông hiện nay sử dụng hệ thống nạp bình thường, tức là hệ thống hút khí tự nhiên bằng cách tận dụng áp suất không khí bên ngoài và độ chân không trong xi lanh.
-
Cấu tạo của hệ thống nạp không khí ô tô bao gồm các bộ phận chính như bộ lọc gió để loại bỏ bụi bẩn trước khi không khí đi vào hệ thống, cổ họng gió và bướm ga để hút không khí vào bên trong. Cổ họng gió được điều khiển bởi bướm ga kết nối với bàn đạp ga, và còn có van điều khiển tốc độ không tải để điều khiển lượng khí nạp khi xe chạy không tải. Hệ thống cũng bao gồm đường ống nạp để dẫn không khí từ xi lanh và các cảm biến để đo lượng không khí và nhiệt độ đi vào. Tất cả các tín hiệu này sẽ được truyền đến ECU động cơ để tính toán tỷ lệ hoà khí chính xác.
-
Ngoài hệ thống nạp khí tự nhiên, còn có một số hệ thống nạp khí khác như hệ thống nạp tăng áp Turbocharged và Supercharged. Hệ thống nạp tăng áp có khả năng tăng lượng không khí nạp vào động cơ để đẩy áp suất nén lên cao, giúp tăng công suất sản xuất và hiệu suất hoạt động của động cơ.
Hệ thống đánh lửa
Hệ thống đánh lửa trong ô tô đóng vai trò quan trọng trong quá trình cháy nổ động cơ bằng cách tạo ra tia lửa điện để kích hoạt hỗn hợp khí và nhiên liệu trong buồng đốt. Hệ thống đánh lửa bao gồm ba bộ phận chính như sau:
-
Bô bin đánh lửa: Tạo ra dòng điện có điện áp cao.
-
Bộ phân phối điện: Phân phối nguồn điện áp cao từ bô bin đánh lửa đến từng bugi trên các xi lanh.
-
Bugi: Tạo ra tia lửa điện để đốt cháy hỗn hợp khí và nhiên liệu trong buồng đốt.
Hệ thống bôi trơn
Hệ thống bôi trơn ô tô giúp đưa dầu nhớt đi bôi trơn các chi tiết chuyển động bên trong động cơ như piston, ổ bi, bạc trục khuỷu, trục cam… nhằm giảm độ ma sát, giải nhiệt, vệ sinh và đảm bảo các chi tiết hoạt động trơn tru. Cấu tạo của hệ thống này bao gồm các bộ phận sau:
-
Dầu nhớt: Được sử dụng để bôi trơn, làm mát và vệ sinh các chi tiết động cơ.
-
Bơm dầu: Sử dụng để hút dầu từ đáy các te và đưa dầu vào chu trình bôi trơn động cơ.
-
Lọc dầu: Sử dụng để lọc bỏ các cặn bẩn trước khi dầu được đưa vào chu trình bôi trơn.
-
Các-te: Chứa dầu nhớt, phần lớn dầu được chứa ở đây trước khi được đưa vào chu trình bôi trơn.
Hệ thống làm mát
Hệ thống giải nhiệt (hay hệ thống làm mát) trong ô tô giúp duy trì nhiệt độ động cơ ổn định để đảm bảo hoạt động tối ưu.
Cấu tạo của hệ thống gồm các bộ phận chính như sau:
-
Dung dịch làm mát: Làm mát động cơ và giữ cho nhiệt độ của động cơ ở mức ổn định.
-
Bình nước: Làm lạnh dung dịch làm mát trước khi nó được cung cấp vào chu trình mới.
-
Quạt gió làm mát: Tăng tốc lưu thông không khí qua bình nước để dung dịch làm mát được làm lạnh nhanh hơn.
-
Máy bơm nước: Luân chuyển dung dịch làm mát từ bình nước đến động cơ và quay trở lại.
-
Van termostat: Điều khiển dòng chảy của dung dịch làm mát tới bình nước để đảm bảo hiệu quả làm mát tốt nhất theo từng điều kiện.
-
Cảm biến nhiệt độ: Đo nhiệt độ của dung dịch làm mát và truyền tín hiệu đến ECU để tính toán thời điểm phun nhiên liệu và góc đánh lửa phù hợp.
Hệ thống khí xả
Hệ thống xử lý khí thải (hay còn gọi là hệ thống khí xả) giúp xử lý khí thải từ động cơ để giảm tiếng ồn và bảo vệ môi trường, đồng thời cải thiện hiệu suất hoạt động của động cơ ô tô.
Cấu trúc hệ thống xử lý khí thải ô tô gồm:
-
Ống xả: Thu thập khí thải từ các xi lanh khi van xả mở.
-
Cảm biến oxy: Đo lượng oxy còn lại trong khí thải và truyền tín hiệu về ECU động cơ. Nhờ đó, ECU có thể cân chỉnh Fuel Trim để quá trình đốt cháy đạt hiệu quả tốt nhất.
-
Bộ chuyển hoá xúc tác: Xử lý các hoá chất độc hại trước khi khí thải được xả ra ngoài.
-
Ống bô: Giảm tiếng ồn khi động cơ xả khí thải.
-
Ngoài ra, động cơ ô tô còn có các hệ thống phụ trợ khác như hệ thống khởi động động cơ (nằm trong hệ thống điện), hệ thống van thông khí hộp trục khuỷu PCV và nhiều hệ thống khác.
Ý nghĩa thông số kỹ thuật xe ô tô
Dung tích động cơ
Dung tích động cơ, hay còn gọi là dung tích xi lanh, là tổng dung tích của các xi lanh trong động cơ, thường được đo bằng đơn vị lít hoặc cc. Ví dụ, động cơ 4 xi lanh dung tích 2.0 lít có nghĩa là mỗi xi lanh có dung tích 0.5 lít. Động cơ với dung tích xi lanh lớn sẽ có khả năng chứa nhiều hơn hỗn hợp nhiên liệu và khí đốt cháy, từ đó tăng hiệu suất hoạt động của động cơ.
Công suất (mã lực)
Công suất động cơ là một thước đo để đánh giá khả năng của xe trong việc chạy nhanh và mạnh. Tốc độ tối đa của xe tỉ lệ thuận với công suất, có nghĩa là nếu công suất càng cao thì tốc độ tối đa càng cao.
Công suất động cơ thường được đo bằng đơn vị mã lực (HP ở Anh, PS ở Đức, CV ở Pháp…), là lượng công cần để nâng một vật có trọng lượng 75 kg lên độ cao 1 m trong 1 giây. Ngoài ra, đơn vị tính công suất khác phổ biến là kilowatt (kW).
Mô men xoắn (Nm)
Mô men xoắn là đại lượng đo lường khả năng tạo ra lực xoắn để quay tròn một vật. Nó được sử dụng để đánh giá sức mạnh của động cơ và khả năng vận hành của xe. Đơn vị tính của mô men xoắn là Newton mét (Nm) hoặc pound feet (lb-ft).
Để hình dung về đại lượng này, bạn có thể tưởng tượng mô men xoắn là lực dùng để vặn nắm cửa. Nếu nắm cửa được vặn chặt hơn, đòn bẩy sẽ tăng và bạn sẽ cần áp dụng một lực xoắn lớn hơn để vặn nắm cửa. Tương tự, mô men xoắn càng cao thì động cơ có khả năng tạo ra lực xoắn để vận hành xe càng mạnh mẽ.
Vòng tua máy (vòng/phút)
Vòng tua máy là đại lượng cho biết tốc độ quay của trục khuỷu trong động cơ, được đo bằng số vòng quay trong một đơn vị thời gian, thường là vòng/phút (revolutions per minute – rpm). Tốc độ quay của trục khuỷu ảnh hưởng đến hiệu suất và khả năng vận hành của động cơ. Khi vòng tua máy càng cao thì động cơ có thể cung cấp công suất và mô-men xoắn cao hơn, tuy nhiên, để đánh giá hiệu suất của động cơ, vòng tua máy thấp hơn thường cho thấy động cơ hoạt động hiệu quả hơn.
Mối quan hệ giữa công suất, mô men xoắn và vòng tua máy
Để xe chạy nhanh và mạnh, công suất là yếu tố quan trọng cần được quan tâm. Trong khi đó, mô men xoắn là chỉ số cho thấy khả năng kéo tải nặng và thời gian tăng tốc của xe. Điều này cũng ảnh hưởng đến mức tiêu thụ nhiên liệu của xe. Để đạt được hiệu suất tốt nhất, công suất và mô men xoắn cần đạt giá trị cực đại ở vòng tua máy thấp. Khi đó, xe sẽ tăng tốc nhanh hơn và tiêu thụ nhiên liệu ít hơn.
Trên đây là một tổng quan về các bộ phận và chức năng của động cơ ô tô. Động cơ ô tô được coi là trái tim của chiếc xe, quyết định đến sức mạnh và hiệu suất của nó. Hiểu rõ về các bộ phận và chức năng của động cơ ô tô sẽ giúp người lái xe hiểu và quản lý tốt hơn chiếc xe của mình, đồng thời có thể lựa chọn đúng loại động cơ phù hợp với nhu cầu sử dụng.
