Động cơ ô tô và những điều cơ bản cần biết

Động cơ ô tô là gì, cấu tạo ra sao, hoạt động thế nào? Để trả lời những câu hỏi này, hãy cùng tìm hiểu về động cơ trên những chiếc ô tô ngày nay - một bộ phận được ví như trái tim của xe

Động cơ là gì?

Động cơ là thiết bị chuyển hóa một dạng năng lượng nào đó như xăng hoặc dầu 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 xăng, 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.

Nhờ có hiệu suất cao hơn, cùng có kích thước nhỏ gọn hơn so với động cơ đốt ngoài nên động cơ đốt trong được sử dụng phổ biến ngày nay cho nhiều phương tiện và xe hơi, xe máy chính là đại diện tiêu biểu nhất.

Cấu tạo động cơ xe

Phân loại xe ô tô theo động cơ hay phân loại xe theo nguồn động lực được chia theo cấu trúc vận hành, loại nhiên liệu sử dụng ở từng nguồn động lực với cấu trúc phổ biến hiện nay:

• Động cơ xăng

• Động cơ Diesel/Dầu

• Động cơ điện

• Động cơ lai/Hybrid

Trong bài viết này, chúng ta cùng tìm hiểu về động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu xăng hoặc dầu diesel vì được sử dụng phố biến trong các loại xe trên thị trường hiện nay. Động cơ điện và động cơ lai Hybrid sẽ được giới thiệu ở các bài viết sau.

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

Bugi

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

Van (xu-páp)

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

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

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.

Động cơ hoạt động ra sao?

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.

Động cơ đốt trong sử dụng nguyên lý đó với một chu trình khép kín, các vụ nổ xảy ra hàng trăm lần mỗi phút bên trong xi lanh động cơ. Hỗn hợp không khí và nhiên liệu (gọi là hòa 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.

- Trong kỳ 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 kỳ 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 kỳ 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.