Đã bao giờ các bạn mở nắp capo chiếc xe của bạn lên và tự hỏi điều gì đang diễn ra bên trong đó? Đây như một thế giới thu nhỏ với sự hiện diện của rất nhiều thành phần khác nhau, hàng loạt các chi tiết cơ khí, ống dẫn, dây điện,... khiến ta khó có thể hiểu hết được. Bài viết này sẽ tổng hợp các khái niệm và thành phần cơ bản nhất của động cơ xe hơi. Qua đó, các bạn có thể phần nào hiểu được "thế giới cơ khí" bên trong chiếc xe hoạt động như thế nào.
Động cơ là thiết bị chuyển hóa một dạng năng lượng nào đó thành động năng. Về cơ bản, chúng ta có thể chia động cơ nhiệt ra làm 2 loại chính là động cơ đốt trong và động cơ đốt ngoài. Mỗi loại lại được chia thành nhiều loại nhỏ với những ưu nhược điểm khác nhau. Các loại động cơ đốt trong có thể kể đến như động cơ chạy diesel, động cơ tuabin khí, động cơ xoay, động cơ 2 kỳ,... Động cơ đốt ngoài có thể kể đến 2 đại diện là động cơ hơi nước và động cơ Stirling. Động cơ đốt trong có hiệu suất cao hơn (tốn ít nhiên liệu hơn trên cùng 1 quãng đường) đồng thời cũng có kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ hơn rất nhiều so với động cơ đốt ngoài. Do đó, động cơ đốt trong được sử dụng phổ biến ngày nay cho nhiều phương tiện và xe hơi hoặc xe máy chính là đại diện tiêu biểu nhất.
Động cơ đốt trong
Nguyên tắc hoạt động chung của động cơ đốt trong là: Nếu bạn đặt một lượng nhỏ nhiên liệu năng lượng cao (như xăng, diesel,...) vào trong một không gian nhỏ, khép kín. Sau khi đốt cháy, một lượng lớn năng lượng sẽ được giải phóng dưới dạng sự giãn nở của khí. Sau đó, năng lượng này sẽ được chuyển hóa thành động năng để sinh công có ích. Ở trường hợp của xe hơi, năng lượng này sẽ tạo ra chuyển động cho xe.
HIện nay, phần lớn xe hơi sử dụng loại động cơ nhiệt đốt trong được gọi là động cơ 4 kỳ để chuyển năng lượng trong nhiên liệu (xăng, diesel,...) thành động năng giúp xe di chuyển. Động cơ 4 kỳ còn được gọi động cơ Otto nhằm vinh danh Nikolaus Otto (1832-1891), nhà phát minh người Đức đã lần đầu tiên chế tạo ra loại động cơ này vào năm 1867. 4 kỳ hoạt động của động cơ bao gồm: nạp, nén, nổ và xả.
Sau quá trình trên, năng lượng do đốt cháy nhiên liệu sinh ra sẽ chuyển thành động năng tịnh tiến của piston. Tiếp theo, năng lượng này sẽ được chuyển thành chuyển động quay của trục khuỷu và qua một số cơ cấu khác (sẽ được đề cập sau) cuối cùng sẽ dẫn đến chuyển động quay của bánh xe. Ở mục tiếp theo, chúng ta sẽ tìm hiểu sâu hơn nữa về các chi tiết của động cơ.
Các chi tiết chính của động cơ
Phần cốt lõi của động chính là piston, chi tiết sẽ chuyển động lên xuống trong lòng xylanh. Trong infographic bên trên đã mô tả động cơ 1 xy lanh. Tuy nhiên, phần lớn động cơ xe hơi đều cần nhiều xylanh hơn, có thể là 4, 6, 8, 10, 12 hoặc thậm chí là 16 xy lanh. Đối với các động cơ nhiều xy lanh, xylanh thường được bố trí theo vào 1 trong 3 dạng: thẳng hàng, chữ V hoặc đối xứng ngang.
Động cơ các xylanh được đặt thẳng hàng Động cơ các xy lanh được đặt trên 2 mặt phẳng lệch nhau 1 góc tạo thành chữ V Động cơ được đặt đối xứng với nhau trên cùng 1 mặt phẳng theo phương ngang (Động cơ Boxer)
Mỗi dạng bố trí xylanh khác nhau sẽ tương ứng với các ưu/nhược điểm khác nhau về độ nhịp nhàng, chi phí chế tạo và hình dạng tổng thể của khối động cơ. Do đó, mỗi cách bố trí sẽ phù hợp với từng loại xe hơi khác nhau tùy theo mục đích sử dụng cuối cùng.
Dưới đây là những thành phần chính của động cơ xe hơi
Bugi (bộ phận đánh lửa): Bugi sẽ đánh lửa để đốt cháy hỗn hợp không khí/nhiên liệu trong 1 thời điểm chính xác nhằm đảm bảo chu kỳ hoạt động của động cơ diễn ra một cách hoàn hảo.
Van (cổng) nạp/xả: 2 cổng nạp và cổng xả sẽ phối hợp đóng, mở một cách nhịp nhàng trong mỗi kỳ hút và xả tương ứng để nạp nhiên liệu và xả khí thải sau quá trình đốt. Đồng thời, 2 cổng này sẽ đồng thời đóng lại trong kỳ nén và kỳ nổ để đảm bảo rằng buồng đốt hoàn toàn kín.
Piston: là một chi tiết hình trụ bằng kim loại có thể chuyển động lên xuống trong lòng xylanh.
Các vòng găng piston (xéc-măng, bạc piston): các vòng gắn vào rãnh dọc thân piston có các nhiệm vụ chính là đóng kín buồng đốt ngăn không cho hỗn hợp nhiên liệu/không khí và chất thải lọt xuống bên dưới, truyền nhiệt từ piston ra thành xylanh chống quá nóng và tiếp dầu bôi trơn cho phép piston có thể di chuyển trơn tru bên trong xylanh. Đồng thời, các vòng này cũng có nhiệm vụ không cho dầu nhớt từ các te xâm nhập vào buồng đốt.
Trục cam: trên trục cam có các vấu cam. Khi trục cam quay, các vấu cam có nhiệm vụ đóng/mở xupap đúng thời điểm. Về cơ bản có thể chia ra làm 4 loại trục cam tùy vào vị trí lắp đặt trong động cơ: trục cam đặt trong cacte thân máy (OHV), trục cam đặt trên nắp xylanh (OHC), trục cam đơn đặt trên nắp xylanh (SOHC) và trục cam kép đặt trên nắp xylanh (DOHC).
Thanh truyền (tay dên): thanh kết nối piston với trục khuỷu. Nhờ thanh truyền mà chuyển động thẳng của piston sẽ được chuyển thành chuyển động xoay tròn của trục khuỷu.
Trục khuỷu: là chi tiết nhận lực từ piston để tạo ra mô men quay sinh công đưa ra bộ phận công tác và nhận năng lượng từ bánh đà truyền lại cho piston.
Cacte: bộ phận bao quanh trục khuỷu. Đáy cacte là nơi chứa dầu nhớt bôi trơn cho động cơ.
Các hệ thống cấu thành nên động cơ xe hơi
Động cơ xe hơi bao gồm nhiều hệ thống phụ với các cơ cấu vận hành khác nhau. Dưới đây sẽ khảo sát 8 hệ thống phụ trong động cơ, bao gồm:
Hệ thống nạp nhiên liệu.
Bộ truyền động xupap.
Hệ thống đánh lửa.
Hệ thống bôi trơn.
Hệ thống xả khí thải.
Hệ thống giải nhiệt động cơ.
Hệ thống nạp khí.
Hệ thống khởi động.
Hệ thống nạp nhiên liệu
Hệ thống nhiên liệu có nhiệm vụ nạp nhiên liệu từ bình chứa, sau đó trộn nó với không khí để tạo thành hỗn hợp nhiên liệu/khí và đưa vào trong buồng đốt. Nhiên liệu thường được cung cấp bằng 1 trong 3 cách sau: chế hòa khí, phun nhiên liệu trực tiếp (GDI) và phun nhiên liệu gián tiếp. Bộ chế hòa khí thường được sử dụng cho các động cơ thế hệ cũ hoặc động cơ xe máy, nhiên liệu sẽ được trộn với không khí trước khi nạp vào xylanh. Đối với động cơ phun nhiên liệu, một lượng đúng nhiên liệu sẽ được đưa vào mỗi xy lanh, tại vị trí phía trên cổng nạp (đối với phun gián tiếp) hoặc trực tiếp vào xy lanh (đối với phun trực tiếp).
Video minh họa một hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp trên động cơ xe hơi
Từ cuối những năm 1970, hệ thống phun nhiên liệu bắt đầu được đưa vào sử dụng nhằm thay thế cho hệ thống nạp chế hòa khí trước đó do tiết kiệm được nhiên liệu và cho hiệu suất hoạt động cao hơn. Vào những năm 1990, hầu hết những chiếc xe hơi hiện đại chạy xăng trên thị trường đều sử dụng hệ thống phun nhiên liệu điện tử (EFI). Theo đó, lượng nhiên liệu nạp vào thường được tính toán bởi hệ thống điện tử với sự hỗ trợ của nhiều loại cảm biến khác nhau như đo lưu lượng, nhiệt độ của khí nạp, nhiệt độ của nước giải nhiệt, tốc độ động cơ,...
Bộ truyền động xupap
Động cơ có sử dụng cam kép
Bộ truyền động bao gồm hệ thống các xupap và những chi tiết cơ khí khác giúp xupap có thể đóng mở đúng thời điểm. Chi tiết cơ khí được nói đến ở đây chính là trục cam. Trên trục cam có các vấu cam hỗ trợ đóng mở trục cam. Tùy theo mỗi loại động cơ mà các vấu cam sẽ được bố trí tại những góc độ khác nhau giúp động cơ có thể hoạt động nhịp nhàng và trơn tru. Trên các động cơ hiện đại, trục cam được đặt trên đỉnh các xupap.
Khi quay, các vấu cam có dạng hình giọt nước sẽ đẩy xupap xuống để mở cổng nạp hoặc xả nhiên liệu/chất thải. Trục cam được chia thành 2 dạng là trục cam đơn (cho phép đóng mở cả cổng hút và cổng xả) và trục cam kép (2 trục cam điều khiển việc hút và xả một cách độc lập). Ngày nay, những hệ thống động cơ hiện đại đều sử dụng hệ thống cam kép (DOHC) đặt phía trên xupap cho phép điều khiển đóng/mở cùng lúc nhiều xupap một cách hiệu quả nhất, đảm bảo tiêu chí là "nạp đầy, thải sạch". Hệ thống đánh lửa
Hệ thống đánh lửa
Hệ thống đánh lửa có nhiệm vụ tạo nên dòng điện cao áp và đưa đến bugi thông qua các dây dẫn. Đầu tiên, dòng điện sẽ chạy từ nguồn cấp đến bộ phân phối điện. Bộ phân phối điện thường được chế tạo theo dạng tròn, dây điện chính từ nguồn cấp sẽ được dẫn vào bộ phận dẫn điện, có thể xoay được, đặt tại vị trí trung tâm. Xung quanh đường kính của bộ phân phối điện sẽ được nối tới các dây điện (có thể 4, 6,... dây tương ứng với số lượng xylanh) dẫn tới mỗi bugi. Khi chi tiết dẫn điện trung tâm quay, nó sẽ lần lượt tiếp xúc với các dây điện nối tới từng bugi. Từ đó, dòng điện sẽ tuần tự chạy tới và đánh lửa trong các xylanh tại những thời điểm thích hợp giúp động cơ vận hành một cách hoàn hảo theo sự tính toán từ trước.
Hệ thống bôi trơn
Hệ thống bôi trơn cũng là thành phần hết sức quan trọng trong quá trình vận hành của động cơ. Chức năng chính của hệ thống bôi trơn là giúp đảm bảo tất cả các chi tiết tham gia chuyển động trong động cơ đều được bôi trơn và chuyển động một cách dễ dàng. Bên trong động cơ, các thành phần cần được bôi trơn nhiều nhất là piston (để dễ dàng chuyển động tịnh tiến trong lòng xylanh) và hàng loạt vòng bi (giúp trục cam, trục khuỷu,... có thể quay dễ dàng). Trong phần lớn động cơ, dầu nhớt thường được hút lên từ cacte, chạy qua bộ lọc và sau đó phun dưới áp lực cao vào các vòng bi hoặc thành xylanh. Cuối cùng, dầu nhớt vẫn chảy trở lại cacte và chu trình cứ thế được tiếp tục.
Hệ thống xả khí thải
Dĩ nhiên, xả chất thải cũng là một bộ phận không thể thiếu đối với động cơ xe. Hệ thống xả bao gồm các ống xả và bộ tiêu âm. Nếu không có bộ tiêu âm, những gì mà bạn nghe được sẽ là âm thanh của hàng nghìn tiếng nổ phát ra từ ống pô xe. Đúng như tên gọi, bộ tiêu âm có nhiệm vụ triệt tiêu những tiếng ồn phát ra trong quá trình động cơ vận hành. Bên cạnh đó, hệ thống xả cũng bao gồm bộ chuyển đổi xúc tác. Nhiệm vụ chính của nó là chuyển đổi lượng nhiên liệu chưa cháy hết thành khí thải được đốt hoàn toàn.
Ảnh một hệ thống xả khí thải trên xe hơi
Trên những chiếc xe hiện đại, hệ thống kiểm soát khí thải (emission control system) còn có bộ chuyển đổi xúc tác (một tập hợp các cảm biến và bộ điều tiết) và hệ thống máy tính nhằm kiểm soát và điều chỉnh khí thải. Trong một số trường hợp, bộ chuyển đổi xúc tác sử dụng chất xúc tác và khí oxy để đốt cháy lượng nhiên liệu còn thừa và một số hóa chất độc hại. Trong ống dẫn dòng khí thải còn được tích hợp một cảm biến oxy để luôn đảm bảo đủ lượng khí oxy cần thiết cho các chất xúc tác luôn trong trạng thái sẵn sàng hoạt động.
Hệ thống giải nhiệt
Đây là hệ thống có mặt trên hầu hết động cơ xe hơi, được hợp thành bởi 2 bộ phận chính là bộ tản nhiệt và bơm nước. Nước (có pha chất chống đông) được dẫn qua hệ thống ống tới các áo nước quanh xylanh để hấp thụ nhiệt. Sau đó nước nhiệt độ cao sẽ được dẫn trở về bộ tản nhiệt để hạ nhiệt độ nước xuống và tiếp tục lặp lại chu trình khép kín trên. Bên cạnh đó, một quạt gió cũng được bố trí tại vị trí bộ tản nhiệt để hỗ trợ đẩy dòng khí nóng và nhanh chóng làm mát dòng nước bên trong. Trong quá trình lưu thông trong động cơ, dung dịch làm mát cũng chảy qua một van hằng nhiệt có nhiệm vụ giữ cho nhiệt độ nước giải nhiệt luôn ở trong một khoảng nhất định.
Tuy nhiên, một số loại động như trên xe gắn máy và một vài mẫu xe (điển hình như Volkswagen Beetles) có hệ thống tản nhiệt bằng không khí với các cánh tản nhiệt bên ngoài lốc máy. Hệ thống tản nhiệt bằng không khí giúp giảm trọng lượng đáng kể cho động cơ, nhưng hiệu suất tản nhiệt không sánh bằng hệ thống tản nhiệt nước. Từ đó, hiệu suất và tuổi thọ của động cơ cũng theo đó mà giảm đi đáng kể.
Hệ thống nạp khí
Phần lớn động cơ trên xe hơi thường sử dụng hệ thống nạp thông thường, nghĩa là dòng không khí từ bên ngoài sẽ đi qua bộ lọc và trực tiếp đi vào các xylanh. Tuy nhiên, các động cơ hiệu suất cao đòi hỏi một lượng không khí lớn hơn để kịp thời phục vụ cho công tác đốt nhiên liệu, đó cũng là nguyên nhân cho sự xuất hiện của hệ thống nạp tăng áp Turbocharger hoặc Supercharger. Mục đích của hệ thống này là nén lượng khí đi vào giúp tăng hiệu suất hoạt động của động cơ.
Hệ thống khởi động
Làm thế nào để động cơ khởi động và tất cả các thành phần nói trên đều có thể vận hành? Đó là nhờ vào hệ thống khởi động với các thành phần chính là motor khởi động và nam châm từ khởi động (cuộn dây hình ống, starter selonoid) nhằm tạo ra ngoại lực ban đầu. Khi bạn bật chìa khóa điện khởi động máy, motor khởi động sẽ quay trục khuỷu vài vòng cho tới khi thắng được tốc độ quay tối thiểu và động cơ sẽ bắt đầu đi vào vận hành.
Hệ thống điện 12V trên xe hơi phải tạo ra hàng trăm ampe điện để cung cấp cho motor khởi động. Do đó, nam châm từ khởi động sẽ đóng vai trò là một công tắc điện từ tính giúp kiểm soát điện áp lớn khi khởi động máy. Nói một cách nôm na, khi bạn vặn chìa khóa để khởi động máy, dòng điện từ accu sẽ đi vào nam châm từ để khuếch đại lên, sau đó sẽ chuyển sang kích hoạt motor khởi động. Sau khi máy đã nổ, bạn buôn chìa khóa ra và nó sẽ trở ngược lại 1 nấc ở vị trí ON.
