Trong thông số kỹ thuật ô tô, bạn thường sẽ thấy các ký hiệu I4, V6… hay thuật ngữ động cơ 4 xi lanh, 6 xi lanh… Vậy đó là gì?
Xi lanh là một thuật ngữ quen thuộc với các kỹ thuật viên, đặc biệt khi liên quan đến các thông số của động cơ ô tô và xe máy. Tuy nhiên, đối với nhiều người khác, khái niệm này có thể còn khá mới mẻ. Vậy xi lanh thực sự là gì? Cấu trúc của xi lanh ra sao và có những loại xi lanh nào đang được sử dụng phổ biến trên thị trường hiện nay?
Xi lanh là gì?
Xi lanh là một bộ phận quan trọng trong cấu tạo động cơ ô tô. Đây chính là nơi diễn ra quá trình đốt cháy hỗn hợp khí và nhiên liệu để piston di chuyển, làm trục khuỷu quay, từ đó giúp động cơ tạo ra công.
Một số khái niệm và kiến thức liên quan đến xi lanh ô tô:
Không gian công tác xi lanh (buồng đốt): Giới hạn bởi đỉnh piston, nắp xi lanh và thành xi lanh. Theo đó thể tích không gian công tác xi lanh sẽ thay đổi theo chuyển động của piston lên hay xuống, ở điểm chết trên hay điểm chết dưới.
Dung tích xi lanh: Là thể tích phần không gian công tác xi lanh được giới hạn bởi 2 mặt phẳng vuông góc tính từ tâm của xi lanh, đi qua điểm chết trên và điểm chết dưới.
Cấu tạo của Xi lanh
Kết cấu Xi lanh
Nắp xi lanh (đầu xi lanh): là phần trên cùng của xi lanh, được gắn chặt vào thân xi lanh. Nắp xi lanh chứa các van nạp và xả, lỗ bugi (trong trường hợp động cơ xăng) hoặc kim phun (trong động cơ diesel). Ngoài ra, nắp xi lanh còn có các kênh dẫn nước làm mát và dầu bôi trơn để đảm bảo hoạt động ổn định của xi lanh. Nắp xi lanh giúp tạo nên buồng đốt, nơi diễn ra quá trình đốt cháy nhiên liệu và không khí, chuyển đổi năng lượng nhiệt thành năng lượng cơ học.
Thân xi lanh: là phần chính của xi lanh, có dạng hình trụ và chứa piston bên trong. Thân xi lanh phải chịu được áp suất cao và nhiệt độ cao phát sinh từ quá trình đốt cháy trong động cơ. Bên trong thân xi lanh thường có một lớp phủ đặc biệt để giảm ma sát giữa piston và thành xi lanh. Chi tiết này giúp nâng cao hiệu suất và kéo dài tuổi thọ của xi lanh. Thân xi lanh còn có các kênh dẫn dầu bôi trơn và nước làm mát để hỗ trợ quá trình hoạt động của xi lanh và động cơ nói chung.
Piston: là bộ phận di chuyển bên trong thân xi lanh, chuyển đổi năng lượng sinh ra từ quá trình đốt cháy nhiên liệu thành chuyển động cơ học. Piston được gắn với thanh truyền và trục khuỷu để chuyển đổi chuyển động tịnh tiến thành chuyển động quay. Piston thường được làm từ nhôm hoặc hợp kim nhôm, giúp giảm trọng lượng và tăng khả năng chịu nhiệt, chịu mài mòn. Các rãnh trên piston chứa các vòng đệm (piston rings) để ngăn ngừa rò rỉ khí và dầu, đảm bảo áp suất tối đa trong buồng đốt.
Các vật liệu chế tạo Xi lanh
Kim loại hợp kim: là vật liệu phổ biến để chế tạo xi lanh nhờ khả năng chịu lực tốt, độ bền cao và khả năng chịu nhiệt độ cao. Các loại hợp kim thường được sử dụng: hợp kim nhôm, hợp kim thép và hợp kim sắt, tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của động cơ và điều kiện hoạt động. Hợp kim cho phép xi lanh có độ bền cơ học cao, chống mài mòn và giữ độ chính xác kích thước trong thời gian dài.
Nhôm: là vật liệu được ưa chuộng trong việc chế tạo xi lanh do có khối lượng nhẹ, khả năng dẫn nhiệt tốt và khả năng chống ăn mòn. Xi lanh làm từ nhôm thường được sử dụng trong các động cơ hiệu suất cao và các phương tiện yêu cầu trọng lượng thấp để tăng cường hiệu suất nhiên liệu. Nhôm còn giúp cải thiện khả năng làm mát của xi lanh, giảm nguy cơ quá nhiệt và kéo dài tuổi thọ của động cơ.
Gang: là vật liệu truyền thống trong việc chế tạo xi lanh, khả năng chịu lực tốt và tính ổn định cao. Xi lanh làm từ gang có độ bền cao và khả năng chống mài mòn tốt, phù hợp với các động cơ hoạt động ở điều kiện khắc nghiệt hoặc yêu cầu độ bền dài hạn. Mặc dù có trọng lượng nặng hơn so với nhôm, gang vẫn là lựa chọn ưu tiên trong các ứng dụng yêu cầu độ bền và độ chính xác cao, đảm bảo hoạt động ổn định của động cơ trong suốt quá trình sử dụng.
Nguyên lý hoạt động của Xi lanh
Quá trình nạp và xả
Nạp không khí và nhiên liệu
Quá trình nạp bắt đầu khi piston di chuyển xuống, tạo ra một áp suất thấp trong xi lanh. Điều này làm cho hỗn hợp không khí và nhiên liệu từ bộ chế hòa khí hoặc hệ thống phun nhiên liệu được hút vào xi lanh qua van nạp. Hỗn hợp này rất quan trọng vì nó cung cấp các nguyên liệu cần thiết để thực hiện quá trình đốt cháy và sinh công. Việc nạp đúng cách đảm bảo hỗn hợp có tỷ lệ không khí và nhiên liệu tối ưu, giúp động cơ hoạt động hiệu quả và giảm thiểu khí thải độc hại.
Xả khí thải
Sau khi quá trình đốt cháy diễn ra, piston sẽ di chuyển lên trên, đẩy khí thải ra khỏi xi lanh qua van xả. Khí thải này bao gồm các chất thải như CO2 và nước, là sản phẩm phụ của quá trình đốt cháy nhiên liệu. Quá trình xả là bước cuối cùng trong chu trình làm việc của xi lanh, giúp làm sạch không gian bên trong xi lanh và chuẩn bị cho chu kỳ làm việc tiếp theo. Xả khí hiệu quả giúp giảm áp suất dư thừa trong xi lanh và cải thiện hiệu suất động cơ.
Quá trình chuyển đổi năng lượng
Từ nhiệt năng sang cơ năng
Khi hỗn hợp không khí và nhiên liệu được đốt cháy trong xi lanh, năng lượng nhiệt từ quá trình đốt cháy được chuyển đổi thành năng lượng cơ học. Năng lượng nhiệt làm cho khí trong xi lanh giãn nở và tạo ra áp suất cao. Áp suất này đẩy piston di chuyển xuống, tạo ra chuyển động tịnh tiến. Chuyển động này được chuyển đổi thành chuyển động quay của trục khuỷu thông qua thanh truyền, và từ đó được truyền đến các bánh xe hoặc các bộ phận khác của máy móc để thực hiện công việc cơ học.
Hiệu suất làm việc của xi lanh
Hiệu suất của xi lanh phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tỷ lệ nén, chất lượng hỗn hợp nhiên liệu-không khí, và hiệu quả của quá trình đốt cháy. Xi lanh được thiết kế để tối ưu hóa quá trình đốt cháy và chuyển đổi năng lượng, giảm thiểu tổn thất năng lượng qua ma sát và nhiệt độ. Hiệu suất cao đồng nghĩa với việc xi lanh có thể chuyển đổi tối đa năng lượng từ nhiên liệu thành công suất cơ học, giúp động cơ hoạt động mạnh mẽ và tiết kiệm nhiên liệu.
Các loại xi lanh phổ biến
Xi lanh thủy lực
Xi lanh thủy lực là thiết bị chuyển đổi năng lượng từ dầu hoặc chất lỏng thủy lực thành động năng, tạo ra lực để thực hiện các nhiệm vụ như kéo, đẩy, nén, ép, hoặc nghiền. Nhờ khả năng này, xi lanh thủy lực đóng vai trò quan trọng trong quá trình sản xuất, giúp tăng tốc độ và độ chính xác trong việc chế tạo sản phẩm. Bên cạnh đó, xi lanh thủy lực cũng hỗ trợ cho các loại xe chuyên dụng trong việc nâng hạ hàng hóa, đảm bảo sự ổn định và an toàn khi di chuyển.
Xi lanh điện
Xi lanh điện là thiết bị chuyển đổi năng lượng điện thành mô-men xoắn, thông qua việc động cơ điện làm quay vít me, từ đó đẩy đai ốc di chuyển theo hướng trục của vít me. Việc kích hoạt xi lanh điện chỉ cần kết nối với nguồn điện thông qua dây dẫn. Xi lanh điện được ưa chuộng rộng rãi nhờ vào sự dễ dàng trong điều khiển và không cần đến các hệ thống bổ trợ như bơm áp lực thủy lực hay bơm khí nén, giúp đơn giản hóa quá trình vận hành và bảo trì.
Xi lanh khí nén
Xi lanh khí nén là thiết bị sử dụng khí nén để tạo ra lực đẩy, chuyển hóa năng lượng khí nén thành động năng để làm piston di chuyển và truyền lực đến các thiết bị khác. Thiết bị này được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như chế biến, lắp ráp, chế tạo robot và xây dựng, nhờ vào khả năng cung cấp lực mạnh mẽ và đáng tin cậy cho các hệ thống tự động hóa.
Xi lanh động cơ đốt trong
Số lượng và cách sắp xếp xi lanh trong động cơ đốt trong phụ thuộc vào thiết kế của hệ thống và yêu cầu vận hành của phương tiện. Các động cơ phổ biến thường có từ bốn đến sáu xi lanh, sắp xếp theo nhiều cấu hình khác nhau để tối ưu hóa hiệu suất và công suất. Việc sử dụng nhiều xi lanh giúp tăng cường khả năng vận hành mượt mà và mạnh mẽ, đồng thời giảm thiểu rung động và nâng cao hiệu suất đốt cháy nhiên liệu.
Số lượng và cách sắp xếp xi lanh trong động cơ
Động cơ có thể gồm 1 hoặc nhiều xi lanh. Số lượng xi lanh trong động cơ ô tô hiện thường là 3, 4, 5, 6, 8, 12… Trong đó phổ biến nhất là động cơ 4 xy lanh và 6 xy lanh. Có nhiều kiểu sắp xếp xi lanh bên trong động cơ ô tô. Thường gặp nhất là kiểu chữ I – xi lanh thẳng hàng, kiểu chữ V – xi lanh xếp đối đỉnh, kiểu chữ W… Động có số lượng xy lanh càng lớn thì sẽ được sắp xếp phức tạp hơn để đảm bảo kích thước và sự vận hành của động cơ được tối ưu nhất.
Trong phần thông số kỹ thuật của mẫu xe, các nhà sản xuất đề cập rất rõ số lượng xi lanh và kiểu sắp xếp theo dạng ký hiệu gồm kiểu sắp xếp xi lanh đi cùng với số lượng xi lanh.
Cách sắp xếp xy lanh theo từng loại động cơ:
- Động cơ I4: Động cơ có 4 xy lanh xếp theo kiểu thẳng hàng giống chữ I (1 hàng 4 xy lanh)
- Động cơ V6: Động cơ có 6 xi lanh xếp theo kiểu đối đỉnh giống chữ V (2 hàng, mỗi hàng 3 xy lanh)
- Động cơ V8: Động cơ có 8 xi lanh xếp theo kiểu đối đỉnh giống chữ V (2 hàng, mỗi hàng 4 xy lanh)
- Động cơ W12: Động cơ có 12 xi lanh xếp theo kiểu chữ W (4 hàng – mỗi hàng 3 xy lanh)
- Động cơ W16: Động cơ có 16 xi lanh xếp theo kiểu chữ W (4 hàng – mỗi hàng 4 xy lanh)
Các dòng xe ô tô bình dân hiện nay như Toyota Vios, Hyundai Accent, Mazda 3, Toyota Camry, Toyota Fortuner, Ford Ranger… đa phần đều sử dụng động cơ I4 – 4 xi lanh.
Các dòng xe hạng sang cỡ trung trở lên như Audi A6, Lexus LS, Mercedes S-Class, Lexus RX… sử dụng động cơ V6 – 6 xi lanh. Các dòng xe hạng sang cỡ lớn như BMW 750Li, Mercedes Maybach, Mercedes G63, Lexus GX… sử dụng động cơ V8 xi lanh – 8 xi lanh.
Những xe siêu sang hay xe thể hiệu suất sao, siêu xe thể thao như các dòng xe của hãng Aston Martin, Rolls-Royce, Bentley, Lamborghini, Ferrari… thường sử dụng động cơ V12 hoặc W12 – 12 xi lanh.
Vì sao động cơ cần nhiều xi lanh?
Tốc độ quay trục khuỷu đều hơn
Động cơ ô tô cần nhiều xi lanh để tối ưu sự phân bổ lực. Ví dụ động cơ 4 kỳ (kỳ nạp – kỳ nén – kỳ nổ – kỳ xả) có 1 xi lanh thì cần một góc quay của trục khuỷu là 720 độ (tương đương 2 vòng) để hoàn thành một chu trình. Nghĩa là 1 chu trình cháy sẽ diễn ra sau 2 vòng quay của trục khuỷu. Trong đó chỉ có kỳ nổ là sinh công kỳ nạp, kỳ nén và kỳ xả gây tốn công, đặc biệt là kỳ nén. Như vậy nếu động cơ có 1 xi lanh sẽ sinh ra công ở dạng xung tuần hoàn.
Nếu muốn phân bổ lực kéo đồng đều, động cơ cần có tận dụng quán tính để giữ tốc độ quay không thay đổi thông qua một bánh đà nặng. Bánh đà càng nặng thì lực được phân bổ càng đều. Tuy nhiên bánh đà càng nặng lại khiến động cơ kém nhạy hơn.
Xem thêm:
- Nguyên nhân xe đề khó nổ
- Tại sao xe bị giật khi lên ga?
Do đó, động cơ cần nhiều xi lanh. Nếu động cơ 1 xi lanh, kỳ nổ ứng với 2 vòng quay của trục khuỷu thì động cơ 2 xi lanh kỳ nổ chỉ ứng với 1 vòng quay. Tương tự, động cơ 3 xi lanh kỳ sổ ứng với 720 độ/3 là 240 độ góc quay. Động cơ 4 xy lanh là 720 độ/4 là 180 độ góc quay. Với động cơ 12 xi lanh, kỳ nổ chỉ cần 720 độ/12 là 60 độ góc quay. Có thể động cơ càng nhiều xi lanh thì công suất sinh ra càng đều.
Khả năng cân bằng tốt hơn
Việc sử dụng nhiều xi lanh thay vì chỉ 1 xi lanh sẽ giúp khối lượng từng piston giảm đáng kể. Điều này giúp lực quán tính nhỏ hơn, động cơ có khả năng cân bằng tốt hơn. Từ đó tốc độ của động cơ cũng nhanh hơn do khối lượng mỗi piston nhẹ hơn.
Giảm lực cản đường ống nạp/xả
Động cơ có càng nhiều xi lanh thì sẽ có càng nhiều đường ống nạp/xả. Điều này giúp giảm lực cản trên đường ống, hỗ trợ quá trình nạp/xả diễn ra tốt hơn, động cơ đạt công suất cao hơn.
Tuỳ vào công suất động cơ mà nhà sản xuất sẽ thiết kế số xy lanh phù hợp. Ví dụ xe ô tô 30 – 100 mã lực thường có 3 xy lanh, 100 – 300 mã lực thường có 4 xy lanh, 300 – 400 mã lực thường có 6 xi lanh, 400 – 700 mã lực thường có 8 xi lanh, hơn 700 mã lực thường có 12 xy lanh.
Văn Toàn
