Động cơ ô tô: Khám phá cấu tạo, nguyên lý hoạt động và so sánh các loại động cơ

Cấu tạo động cơ ra sao? Nguyên lý hoạt động động cơ như thế nào? Động cơ ô tô có các lỗi thường gặp gì?

Động cơ ô tô là gì?

Động cơ ô tô là thiết bị giúp chuyển hoá một dạng năng lượng nào đó (như xăng dầu – nhiệt năng, điện năng…) thành động năng. Đây là bộ phận quan trọng nhất trong cấu tạo ô tô, được ví như “trái tim” của xe. Bởi chính động cơ là nơi sản sinh ra công suất và mô men xoắn làm quay các bánh xe, nhờ đó mà ô tô có thể di chuyển.

Ngoài ra, động cơ còn chịu trách nhiệm dẫn động cho một số hệ thống phụ trợ khác trên xe như: máy phát điện, hệ thống trợ lực lái…

Các loại động cơ ô tô

Động cơ ô tô có nhiều loại, trong đó phổ biến nhất hiện nay có thể kể đến: động cơ đốt trong (sử dụng nhiên liệu xăng hoặc dầu Diesel), động cơ điện và động cơ lai hybrid.

Động cơ đốt trong

Động cơ ô tô nhiệt có hai loại chính là động cơ đốt trong và động cơ đốt ngoài. Trong đó, động cơ ô tô đốt trong cho hiệu suất cao hơn lại tiêu thụ ít nhiên liệu hơn, kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ hơn nên được sử dụng cho nhiều loại phương tiện, nhất là ô tô và xe máy.

Động cơ ô tô đốt trong hoạt động theo nguyên lý đốt cháy nhiên liệu sinh nhiệt, từ nhiệt năng biến đổi thành công cơ học ở dạng mô men quay. Động cơ đốt trong có hai loại: động cơ xăng (sử dụng nhiên liệu là xăng) và động cơ Diesel (sử dụng nhiên liệu là dầu). Trong đó, động cơ xăng được ưa chuộng hơn do ưu điểm êm ái, tăng tốc nhanh và mượt mà.

Đa số xe ô tô hiện nay dùng động cơ đốt trong. Tuy nhiên, theo 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 hybird sẽ dần dần thay thế động cơ đốt trong.

Động cơ điện

Động cơ ô tô điện hoạt động theo nguyên lý biến đổi điện năng thành động năng. Do đó, động cơ điện không sử dụng nhiên liệu đốt như xăng hay dầu mà hoạt động nhờ điện tích trữ trong pin (Lithium-ion). Pin thường đặt ở sàn xe. Người dùng có thể sạc pin cho xe tại các trạm sạc hay ổ điện trong nhà thông qua bộ sạc.

Pin sẽ cấp điện cho một động cơ cảm ứng gồm stator (phần đứng yên) và rotor (phần chuyển động). Khi stator được cấp điện nó sẽ tạo ra từ trường, cung cấp năng lượng cơ học làm quay rotor quanh trục, từ đó giúp xe lăn bánh. Ở Việt Nam hiện có xe VinFast VF e34 sử dụng động cơ này.

Động cơ hybird

Động cơ ô tô hybrid là loại động cơ lai điện, sử dụng song song hai nguồn động lực là động cơ đốt trong và động cơ điện. Động cơ hybrid có nhiều loại như nối tiếp, song song và hỗn hợp. Tuỳ vào từng loại mà quyết định động cơ điện hay động cơ đốt trong sẽ giữ vai trò dẫn động chính.

Ở Việt Nam, xe sử dụng động cơ hybrid vẫn còn khá hiếm. Hiện nay trong phân khúc phổ thông chỉ mẫu SUV 5 chỗ Toyota Corolla Altis.

Xem chi tiết: Cấu tạo, ưu nhược điểm xe hybird

Đặc điểm chung loại động cơ ô tô

Tiêu chí	Động cơ ô tô đốt trong	Động cơ ô tô điện	Động cơ ô tô Hybrid
Nguyên liệu	Xăng, dầu diesel	Điện năng	Xăng + Điện năng
Khí thải	Phát thải CO2 và khí độc hại	Không phát thải trực tiếp	Phát thải CO2 thấp hơn
Tiếng ồn	Ồn hơn	Êm ái hơn	Êm ái hơn
Chi phí	Rẻ hơn	Cao hơn	Cao hơn
Bảo trì	Đơn giản hơn	Phức tạp hơn	Phức tạp hơn
Quãng đường di chuyển	Xa hơn	Ngắn hơn	Xa hơn
Tốc độ	Nhanh hơn	Chậm hơn	Nhanh hơn
Ưu điểm	Chi phí rẻ, dễ bảo trì, quãng đường di chuyển xa	Không phát thải khí độc hại, hiệu suất cao, tiếng ồn thấp	Tiết kiệm nhiên liệu, giảm thiểu khí thải, kết hợp ưu điểm của 2 loại động cơ
Nhược điểm	Phát thải khí độc hại, tiếng ồn lớn	Chi phí cao, quãng đường di chuyển ngắn, thời gian sạc pin lâu	Chi phí cao, bảo trì phức tạp hơn

Động cơ đốt trong đang thống trị thị trường xe hơi bởi nhiều ưu điểm vượt trội. Giá thành rẻ, hạ tầng trạm xăng/dầu phát triển rộng rãi, hiệu suất ổn định cùng khả năng vận hành linh hoạt trên nhiều địa hình là những yếu tố then chốt. Tuy nhiên, tác động môi trường là vấn đề cần quan tâm, thúc đẩy sự phát triển của các công nghệ xe xanh trong tương lai.

Cấu tạo động cơ đốt trong

Cấu tạo chi tiết

Xi lanh: Xi lanh là phần bao bọc bên ngoài chứa buồng đốt bên trong – nơi diễn ra quá trình đốt cháy hỗn hợp khí và nhiên liệu. Đây cũng chính là không gian mà các piston di chuyển lên/xuống.

Động cơ ô tô thường có 3 – 12 xi lanh, trong đó phổ biến nhất là 4, 6 và 8 xi lanh. Cách bố trí xi lanh bên trong động cơ cũng có nhiều kiểu như xếp thẳng hàng chữ I, xếp đối đỉnh chữ V, chữ W. Ngoài ra còn có kiểu xếp phẳng, nằm ngang đối xứng nhau, loại này gọi là động cơ Boxer.

Xem chi tiết: Xi lanh là gì? Ý nghĩa ký hiệu i4, V6, V12, W12 ở động cơ ô tô

Piston: Piston có dạng hình trụ, chuyển động lên/xuống bên trong xi lanh và liên kết với thanh truyền. Khi nhiên liệu được đốt cháy sẽ tạo ra áp suất cao đẩy piston chuyển động, từ đó truyền lực lên thanh truyền để làm quay trục khuỷu.

Trên piston có các vòng găng piston (xéc-măng) gắn vào rãnh dọc thân piston. Xéc-măng giúp đảm bảo buồng đốt được đóng kín, ngăn hỗn hợp nhiên liệu/không khí hay khí thải lọt xuống dưới. Đồng thời ngăn dầu bôi trơn từ các te rò rỉ vào buồng đốt.

Xupap: Xupap có dạng hình nấm, đóng vai trò như một loại van giúp kiểm soát thời gian và lưu lượng hỗn hợp khí cháy trong động cơ. Xupáp giúp đóng/mở van nạp (cửa nạp) và van xả (cửa xả) của buồng đốt. Hoạt động của xupap được điều khiển bởi trục cam.

Bugi: Bugi có nhiệm vụ tạo tia lửa để thực hiện kích hoạt quá trình đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và khí bên trong buồng đốt động cơ.

Trục cam: Trục cam có nhiều mấu cam, khi trục cam quay các mấu cam sẽ điều khiển xupap để đóng/mở van nạp và van xả ở xi lanh. Có hai loại trục cam là trục cam đơn (SOHC) và trục cam đôi (DOHC). Trục cam đơn sẽ điều khiển cả việc đóng/mở van nạp và van xả. Còn trục cam đôi có hai trục, một điều khiển van nạp và một điều khiển van xả.

Thanh truyền: Thanh truyền kết nối piston và trục khuỷu, biến chuyển động thẳng của piston thành chuyển động xoay tròn trên trục khuỷu.

Trục khuỷu: Trục khuỷu giúp biến chuyển động tịnh tiến của piston biến đổi thành chuyển động quay. 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 tiếp quá trình sinh công.

Trên trục khuỷu có cảm biến vị trí trục khuỷu giúp xác định vị trí và tốc độ quay của trục khuỷu rồi truyền về ECU động cơ. Nhờ đó mà ECU có thể tính toán thời điểm phun nhiên liệu và đánh lửa chính xác.

Xem chi tiết: Dấu hiệu lỗi cảm biến vị trí trục khuỷu và nguyên nhân

Dây curoa: Dây curoa có nhiệm vụ kết nối các bánh răng trục cam và trục khuỷu, tạo sự chuyển động đồng bộ giữa các trục với nhau. Điều này giúp xupap đóng và mở van vào thời điểm chính xác. Đồng thời ngăn piston không chạm vào van.

Xem thêm: Khi nào nên thay dây curoa cam ô tô?

Các-te: Các-te là bộ phận bao quanh trục khuỷu. Đáy các-te chứa dầu bôi trơn giúp bôi trơn, làm mát và làm sạch các chi tiết khi động cơ hoạt động.

ECU động cơ

ECU (Electronic Control Unit) là bộ phận xử lý trung tâm, điều khiển mọi hoạt động của động cơ, các hệ thống – thiết bị điện tử trên xe. Thông qua dữ liệu truyền về từ những cảm biến như cảm biến kích nổ, cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến vị trí trục khuỷu… ECU sẽ tính toán và đưa ra mệnh lệnh hiệu nhằm giúp cơ cấu chấp hành hoạt động hợp lý và chính xác theo từng điều kiện thực tế.

Cụ thể ECU sẽ điều khiển hệ thống nạp nhiên liệu, hệ thống đánh lửa, đặc biệt là cả hệ thống điều khiển van biến thiên… Mục đích chính của ECU là giúp xe vận hành ổn định, an toàn, tiết kiệm nhiên liệu, giảm thiểu tối đa khí thải, đảm bảo các cơ cấu chấp hành thích ứng hoạt động tối ưu nhất ở các chế độ khác nhau.

Nguyên lý làm việc động cơ đốt trong

Nguyên lý hoạt động của động cơ đốt trong ô tô: Nén hỗn hợp không khí và nhiên liệu trong một không gian nhỏ, rồi đốt cháy làm không khí giãn nở để sinh ra năng lượng. Năng lượng này sẽ đẩy piston di chuyển. Động cơ đốt trong vận hành theo nguyên lý này với một chu trình khép kín, mỗi phút xảy ra hàng trăm lần đốt cháy.

Đa phần xe ô tô hiện này đều sử dụng động cơ 4 thì (4 kỳ) với 4 chu kỳ hoạt động gồm: nạp, nén, đốt và xả.

Kỳ nạp (hút): Khi này van nạp mở, van xả đóng, hỗn hợp khí và nhiên liệu được nạp vào xi lanh trong lúc piston chuyển động từ điểm chết trên xuống điểm chết dưới.

Kỳ nén: Piston chuyển động từ điểm chết dưới lên điểm chết trên để nén hỗn hợp khí và nhiên liệu lại. Ở cuối kỳ nén, bugi sẽ đánh lửa để đốt cháy hỗn hợp khí và nhiên liệu.

Kỳ đốt (nổ): Hỗn hợp khí và nhiên liệu được đốt cháy làm áp suất tăng cao đẩy piston chuyển động từ điểm chết trên xuống điểm chết dưới. Chuyển động này sẽ tác dụng lên thanh truyền rồi đến trục khuỷu và được biến đổi thành chuyển động quay.

Kỳ xả: Sau khi kết thúc quá trình đốt cháy, piston chuyển động từ điểm chết dưới lên điểm chết trên để đẩy khí thải trong xi lanh qua van xả ra ngoài hệ thống khí thải.

Chuyển động của piston trong các kỳ nạp, nén và xả chủ yếu nhờ vào năng lượng tích trữ bởi bánh đà gắn ở trục khuỷu trong kỳ đốt sinh công. Với 1 xi lanh, cứ 2 vòng quay trục khuỷu sẽ có 1 lần đốt diễn ra. Do đó động cơ càng nhiều xi lanh thì góc đánh lửa càng chia nhỏ, công sinh ra đều hơn, động cơ vận hành êm hơn.

Nhằm tối ưu hiệu suất động cơ, hiện nay đa số các hãng ô tô đều áp dụng công nghệ van biến thiên cho động cơ của mình. Công nghệ này giúp can thiệp, tự động tính toán điều chỉnh thay đổi thời gian mở và độ mở của van nạp linh hoạt theo từng tình trạng phối khí thực tế.

Dựa trên nguyên lý mỗi hãng xe phát triển hệ thống riêng như Toyota có VVT-i, Honda có i-VTEC, Mitsubishi có MIVEC, BMW có VANOS, Suzuki có VVT, Hyundai có CVVD…

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

Hệ thống nạp nhiên liệu có vai trò cung cấp hỗn hợp nhiên liệu xăng/dầu và không khí vào buồng đốt. Hệ thống nhiên liệu có 3 loại: chế hoà khí, phun nhiên liệu gián tiếp và phun nhiên liệu trực tiếp. Hầu hết các xe ô tô hiện nay đều sử dụng hệ thống phun nhiên liệu gián tiếp (phía trên cổng nạp) hoặc trực tiếp (vào xi lanh).

Cấu tạo hệ thống nạp nhiên liệu thường gồm các bộ phận chính:

Bình nhiên liệu: Dùng để trữ nhiên liệu trong xe.

Bơm nhiên liệu: Bơm nhiên liệu đến kim phun.

Xem chi tiết:

• Các dấu hiệu lỗi hỏng và cách kiểm tra bơm xăng ô tô
• Ưu nhược điểm các loại bơm cao áp ô tô

Lọc nhiên liệu: Loại bỏ tạp chất trong nhiên liệu trước khi đưa đến kim phun.

Xem chi tiết: Khi nào cần thay lọc xăng ô tô?

Bộ điều áp nhiên liệu: Điều chỉnh áp suất nhiên liệu ở mức phù hợp, giúp nhiên liệu được bơm vào buồng đốt chính xác về thời gian và lượng mức.

Xem chi tiết: Dấu hiệu lỗi van điều áp nhiên liệu và cách kiểm tra

Kim phun: Phun nhiên liệu vào buồng đốt.

Xem chi tiết: Kinh nghiệm vệ sinh và thay thế kim phun ô tô

Hệ thống nạp khí

Hệ thống nạp không khí giúp nạp không khí vào buồng đốt. Bởi để đốt cháy nhiên liệu cần phải có không khí (oxy). Đa số các dòng xe phổ thông sử dụng hệ thống nạp bình thường là hệ thống hút khí tự nhiên nhờ tận dụng độ chênh lệch giữa áp suất không khí bên ngoài và độ chân không trong xi lanh.

Cấu tạo hệ thống nạp khí ô tô gồm các bộ phận chính:

Bộ lọc gió: Loại bỏ các bụi bẩn trước khi không khí đi vào bên trong hệ thống.

Xem chi tiết: Cách vệ sinh và thay lọc gió xe ô tô để tránh hao xăng

Cổ họng gió và bướm ga: Hút không khí vào bên trong. Cổ họng gió được điều khiển bởi bướm ga nối với bàn đạp ga. Khi người lái nhấn bàn đạp ga, bướm ga sẽ mở ra để hút không khí. Ngoài ra bộ phận này còn có van điều khiển tốc độ không tải để điều khiển lượng khí nạp khi xe chạy không tải.

Đường ống nạp: Dẫn không khí đến từ xi lanh.

Các cảm biến: Hệ thống khí nạp có cảm biến vị trí cánh bướm ga giúp đo độ mở của cánh bướm ga, cảm biến đo lưu lượng khí nạp giúp xác định lượng không khí đi vào, cảm biến nhiệt độ khí nạp giúp đo nhiệt độ không khí đi vào. Các cảm biến này sẽ truyền tín hiệu về ECU động cơ để ECU tính toán cân bằng tỷ lệ hoà khí chính xác.

Ngoài hệ thống nạp khí tự nhiên ở trên còn có một số hệ thống nạp khí khác như hệ thống nạp tăng áp Turbocharged và Supercharged. Hệ thống nạp tăng áp có khă năng tăng lượng không khí nạp vào động cơ, từ đó đẩy áp suất nén lên cao giúp động cơ sản sinh ra công suất lớn hơn, hiệu suất hoạt động cao hơn.

Hệ thống đánh lửa

Hệ thống đánh lửa giúp tạo tia lửa điện để đốt cháy hỗn hợp khí và nhiên liệu bên trong buồng đốt.

Cấu tạo hệ thống đánh lửa ô tô gồm các bộ phận chính:

Bô bin đánh lửa: Tạo ra dòng điện cao áp.

Bộ chia điện: Phân chia nguồn điện cao áp từ bô bin đánh lửa đến các bugi ở từng xi lanh.

Bugi: Tạo ra tia lửa điện để kích hoạt sự cháy xảy ra trong buồng đốt.

Hệ thống bôi trơn

Hệ thống bôi trơn 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 làm giảm độ ma sát, giải nhiệt, vệ sinh, giúp các chi tiết này hoạt động trơn tru.

Cấu tạo hệ thống bôi trơn ô tô gồm có các bộ phận chính:

Dầu nhớt: Bôi trơn, làm mát, vệ sinh các chi tiết động cơ.

Xem chi tiết: Thay dầu ô tô loại nào tốt? Cách thay dầu nhớt ô tô

Bơm dầu: Hút dầu từ đáy các te để đưa dầu đi vào chu trình bôi trơn động cơ.

Lọc dầu: Lọc bỏ cặn bẩn trước khi dầu được đưa vào chu trình bôi trơn mới.

Xem chi tiết: Hướng dẫn cách thay lọc dầu nhớt ô tô

Các-te: Chứa dầu, phần lớn dầu được chứa ở đây.

Hệ thống làm mát

Hệ thống làm mát (còn gọi là hệ thống giải nhiệt) giúp làm mát, duy trì nhiệt độ động cơ ở mức ổn định để hoạt động tối ưu nhất.

Cấu tạo hệ thống làm mát ô tô gồm có các bộ phận chính:

Nước làm mát: Làm mát động cơ, duy trì nhiệt độ ổn định cho động cơ.

Xem chi tiết: Nước làm mát ô tô loại nào tốt? Bao lâu thay 1 lần?

Két nước: Làm lạnh nước làm mát từ động cơ đi ra trước khi tham gia một chu trình mới.

Xem chi tiết: Cách súc rửa két nước làm mát ô tô

Quạt làm mát: Đẩy không khí lưu thông qua két nước nhanh hơn, từ đó nước làm mát đi vào két nước được làm mát nhanh hơn.

Xem chi tiết: Các lỗi hỏng quạt làm mát két nước thường gặp

Máy bơm nước: Luân chuyển nước làm mát từ két nước đến động cơ và quay ngược trở về.

Xem chi tiết: Hiện tượng hỏng bơm nước làm mát ô tô và cách khắc phục

Van hằng nhiệt: Điều khiển nước làm mát từ động cơ đi vào két nước phù hợp với từng điều kiện thực tế.

Cảm biến nhiệt độ nước làm mát: Đo nhiệt độ nước làm mát và truyền thông tin về ECU để ECU tính toán chính xác thời gian phun nhiên liệu, góc đánh lửa sớm…

Xem chi tiết: Lỗi cảm biến nhiệt độ nước làm mát và cách đo kiểm tra

Hệ thống khí xả

Hệ thống khí xả giúp xử lý khí thải nhằm giảm âm, bảo vệ môi trường, giúp động cơ hoạt động một cách hiệu quả nhất.

Cấu tạo hệ thống khí xả của động cơ ô tô gồm có các bộ phận:

Ống dẫn xả: Thu thập khí thải từ các xi lanh khi van xả mở.

Cảm biến oxy: Đo lượng oxy còn dư trong khí thải và truyền tín hiệu về ECU động cơ ô tô. Nhờ đó ECU có thể tính toán cân chỉnh Fuel Trim để quá trình đốt cháy đạt hiệu quả tốt nhất.

Xem chi tiết: Dấu hiệu cảm biến oxy bị lỗi và cách kiểm tra

Bộ chuyển hoá xúc tác: Xử lý các hoá chất độc hại trước khi khí thải được xả ra ngoài.

Ống bô: Làm giảm tiếng ồn khi động cơ ô tô xả ra khí thải.

Xem chi tiết: Cấu tạo ống xả ô tô và các hư hỏng thường gặp

Ngoài những hệ thống trên, động cơ ô tô còn có một số 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…

Thông số kỹ thuật cơ bản

Dung tích động cơ

Dung tích động cơ ô tô hay dung tích xi lanh là tổng dung tích của tất cả các xi lanh bên trong động cơ ô tô . Dung tích thường được tính theo đơn vị lít hoặc cc. Ví dụng động cơ 4 xi lanh có dung tích 2.0 lít nghĩa là mỗi xi lanh có dung tích 0,5 lít. Dung tích xi lanh càng lớn thì khả năng chứa hỗn hợp nhiên liệu và khí đốt cháy càng nhiều nên động cơ sẽ càng khoẻ.

Công suất (mã lực)

Công suất là một đại lượng cho biết sức mạnh của động cơ, xe có thể chạy nhanh và mạnh thế nào. Tốc độ tối đa tỉ lệ thuận với công suất. Công suất càng cao thì tốc độ tối đa sẽ càng cao.

Đơn vị tính công suất động cơ thường dùng là mã lực, viết tắt là HP (Anh), PS (Đức), CV (Pháp)… Mã lực là công cần có để nâng một vật nặng 75 kg lên độ cao 1 m trong 1 giây. Ngoài mã lực, công suất còn có đơn vị tính khác như kilowatt (kW).

Mô men xoắn (Nm)

Mô men xoắn là một đại lượng cho biết lực tác động để quay quanh trục. Nói cách khác, mô men xoắn cho biết khả năng chịu tải tức thời của động cơ. Mô men xoắn càng cao thì lực kéo của xe, khả năng tải nặng, leo dốc, vượt địa hình… càng tốt. Đơn vị tính của mô men xoắn là Newton mét – viết tắt là Nm.

Đây là một đại lượng quan trọng trong thông số kỹ thuật động cơ ô tô. Tuy nhiên rất nhiều người khó thể hình dung về đại lượng này. Để dễ hiểu bạn có tưởng tượng để siết một con ốc bằng cờ-lê, chúng ta phải sử dụng lực kéo đủ mạnh thì con ốc mới xoay được. Và mô men xoắn chính là lực dùng để xoay con ốc đó.

Vòng tua máy (vòng/phút)

Vòng tua máy là đại lượng cho biết trục khuỷu có thể quay bao nhiêu vòng trong 1 phút. Đơn vị của vòng tua máy là vòng/phút – Revolutions per minute – viết tắt rpm.

Trục khuỷu quay càng nhanh thì lực càng lớn. Vòng tua máy có mối quan hệ mật thiết với công suất và mô men xoắn. Khác với công suất và mô men xoắn, khi đánh giá hiệu suất của động cơ ô tô, vòng tua máy càng thấp càng cho thấy động cơ có được hiệu suất tốt hơn.

Mối quan hệ giữa công suất, mô men xoắn và vòng tua máy

Công suất mang ý nghĩa về tốc độ xe. Mô men xoắn mang ý nghĩa về khả năng kéo, tải nặng, thời gian tăng tốc xe nhanh hay chậm. Công suất hay mô men xoắn đạt cực đại khi vòng tua máy càng thấp thì xe sẽ tăng tốc nhanh hơn, tiết kiệm nhiên liệu hơn.

Văn Anh