Thông tin chi tiết về động cơ đốt trong xe ô tô

Động cơ đốt trong lần đầu tiên được phát minh vào năm 1860 bởi kỹ sư người Pháp Jean Joseph Etienne Lenoir. Từ đó đến nay, với sự tiến bộ không ngừng của công nghệ, động cơ đốt trong đã trải qua nhiều cải tiến quan trọng, giúp tối ưu hóa khả năng vận hành của các phương tiện. Vậy, động cơ đốt trong là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của loại động cơ này ra sao mà nó có thể tạo ra sức mạnh lớn đến vậy? Cùng tìm hiểu kỹ hơn qua bài viết dưới đây nhé!

Động cơ đốt trong là gì?

Động cơ đốt trong là một loại động cơ trong đó quá trình cháy của nhiên liệu diễn ra bên trong một khoang kín, nơi nhiệt và áp suất sinh ra được chuyển hóa thành năng lượng cơ học. Đây là loại động cơ phổ biến nhất hiện nay, được sử dụng rộng rãi trong các loại xe cơ giới như ô tô, xe máy, máy bay, tàu thuyền và các loại máy móc công nghiệp khác. Động cơ đốt trong chủ yếu sử dụng nhiên liệu như xăng, dầu diesel hoặc khí đốt tự nhiên để tạo ra năng lượng.

Cấu tạo của động cơ đốt trong

Cấu tạo của động cơ đốt trong bao gồm nhiều bộ phận phức tạp nhưng có thể chia thành các thành phần chính như sau:

• Xi lanh và piston: Xi lanh là một ống hình trụ, bên trong chứa piston. Piston di chuyển lên xuống bên trong xi lanh, thực hiện quá trình nén nhiên liệu và tạo ra lực đẩy.
• Thanh truyền: Là bộ phận kết nối piston với trục khuỷu, chuyển đổi chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu.
• Trục khuỷu: Bộ phận quan trọng, chuyển đổi chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay, cung cấp năng lượng cho các bánh xe.
• Cơ cấu phân phối khí: Bao gồm các cam, xupap, lò xo… có nhiệm vụ điều khiển quá trình nạp hỗn hợp nhiên liệu và không khí vào buồng đốt và thải khí xả ra ngoài.
• Hệ thống bôi trơn: Cung cấp dầu bôi trơn cho các chi tiết chuyển động, giảm ma sát, mài mòn và đảm bảo động cơ hoạt động trơn tru.
• Hệ thống làm mát: Giúp làm mát động cơ, ngăn chặn quá nhiệt, bảo vệ các chi tiết khỏi bị hỏng hóc.
• Hệ thống cung cấp nhiên liệu: Gồm các bộ phận như bình nhiên liệu, bơm nhiên liệu, kim phun… có nhiệm vụ cung cấp nhiên liệu cho động cơ.
• Hệ thống đánh lửa: Tạo tia lửa điện để đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và không khí trong buồng đốt.

Cách hoạt động

Nguyên lý hoạt động cơ bản của các động cơ đốt trong là dựa trên quá trình đốt cháy nhiên liệu trong một khoang kín, gọi là buồng đốt. Khi nhiên liệu được đốt cháy, nhiệt độ tăng cao khiến các phân tử khí bên trong giãn nở mạnh mẽ, tạo ra một áp suất lớn đẩy piston di chuyển tịnh tiến bên trong xi lanh. Sự di chuyển này tạo ra năng lượng cơ học, còn gọi là động năng.

Động năng này không thể sử dụng trực tiếp để quay các bộ phận chuyển động khác, vì vậy các cơ cấu phụ trợ như trục khuỷu, thanh truyền và bánh răng được sử dụng để chuyển đổi chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay liên tục. Chính nhờ sự phối hợp ăn khớp giữa các bộ phận này mà động cơ có thể duy trì quá trình hoạt động đều đặn và hiệu quả.

Riêng đối với ô tô thì có 2 loại động cơ phổ biến là 4 thì và 2 thì được hoạt động như sau:

Động cơ 4 thì

Tên gọi 4 thì bắt nguồn từ chu kỳ hoạt động của nó, được chia thành 4 giai đoạn chính: nạp, nén, nổ và xả. Các bước này diễn ra theo một chu kỳ tuần hoàn:

Quá trình nạp: Trong giai đoạn này, hỗn hợp không khí và nhiên liệu được hút vào buồng đốt qua van nạp.

Giai đoạn nén: Khi piston di chuyển lên trên, nén chặt hỗn hợp không khí và nhiên liệu trong buồng đốt, tạo ra áp suất cao.

Giai đoạn nổ: Hỗn hợp này được kích hoạt bằng tia lửa điện từ bugi (hoặc trong trường hợp động cơ diesel, hỗn hợp được đốt cháy tự động bởi áp suất cao). Sự cháy nổ này tạo ra một lực đẩy lớn, buộc piston di chuyển xuống dưới, sinh ra động năng.

Giai đoạn xả: khi khí thải từ quá trình cháy được đẩy ra ngoài qua van xả, để chuẩn bị cho chu kỳ tiếp theo.

Động cơ 2 thì

Thay vì có bốn giai đoạn như động cơ 4 kỳ, động cơ 2 kỳ chỉ có hai giai đoạn chính, với mỗi chu kỳ hoàn thành chỉ sau hai hành trình của piston.

Chu kỳ 1:Piston di chuyển từ điểm chết trên xuống điểm chết dưới. Trong quá trình này, các cửa quét và thải mở ra, cho phép khí thải thoát ra ngoài và hỗn hợp nhiên liệu mới đi vào xi-lanh.

Kỳ 2:Piston di chuyển từ điểm chết dưới lên điểm chết trên. Hỗn hợp nhiên liệu bị nén, sau đó bị đốt cháy bởi bugi. Áp suất tăng lên đẩy piston lên, tạo ra công.

Phân loại động cơ đốt trong 

Có nhiều phương pháp để phân loại động cơ đốt trong dựa trên những tiêu chí khác nhau, giúp người dùng dễ dàng hiểu rõ hơn về đặc điểm và công năng của từng loại. Sau đây là bốn phương pháp phân loại thường được áp dụng trong lĩnh vực cơ khí.

Phân loại theo nhiên liệu

Dựa trên loại nhiên liệu mà động cơ sử dụng, người ta chia động cơ đốt trong thành hai loại chính: động cơ xăng và động cơ diesel.

Động cơ xăng

Động cơ xăng là loại động cơ phổ biến trong các dòng xe hơi, xe máy và nhiều loại phương tiện di chuyển khác. Ở động cơ này, hỗn hợp xăng và không khí được hút vào xi lanh, sau đó nén với áp suất cao. Tại giai đoạn cuối của kỳ nén, bugi sẽ đánh lửa và làm cháy hỗn hợp này, sinh ra nhiệt lượng lớn.

Sức nóng tạo ra từ quá trình cháy khiến piston di chuyển mạnh, và lực này được truyền đến trục khuỷu thông qua thanh truyền, từ đó tạo ra công suất để truyền đến hộp số và bánh xe. Loại động cơ này có khả năng tăng tốc nhanh và thích hợp cho các phương tiện di chuyển trong đô thị.

Động cơ diesel

Ngược lại với động cơ xăng, động cơ diesel không sử dụng bugi để đốt cháy nhiên liệu. Thay vì vậy, dầu diesel được phun trực tiếp vào buồng đốt, nơi nó tự bốc cháy dưới tác động của áp suất nén cao.

Nhờ có tỷ số nén lớn hơn so với động cơ xăng, động cơ diesel đạt hiệu suất cao hơn và tiêu thụ ít nhiên liệu hơn, đặc biệt là khi hoạt động ở tải thấp và trung bình. Điều này làm cho động cơ diesel trở nên kinh tế và bền bỉ hơn, phù hợp cho các loại xe tải, xe buýt và các phương tiện yêu cầu tải trọng lớn. Tuy nhiên, động cơ diesel có tiếng ồn lớn hơn và chi phí bảo trì cao hơn so với động cơ xăng.

Bên cạnh hai loại phổ biến trên, còn có các động cơ sử dụng nhiên liệu khác như than, nhiên liệu tổng hợp, và nhiên liệu khí, mặc dù chúng ít được sử dụng trong các phương tiện thông dụng.

Xem thêm: Các loại động cơ xe ô tô phổ biến nhất hiện nay

Phân loại theo chuyển động của piston

Phương pháp phân loại theo chuyển động piston ít được sử dụng hơn so với phương pháp phân loại dựa trên nhiên liệu. Tuy nhiên, cách này cũng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định cấu trúc và nguyên lý hoạt động của động cơ. Theo tiêu chí này, động cơ đốt trong được chia thành các loại sau:

• Động cơ piston đẩy: Đây là loại động cơ phổ biến nhất, với chuyển động piston lên xuống trong xi lanh để tạo ra công suất.
• Động cơ piston quay: Thay vì chuyển động lên xuống, piston trong động cơ này quay tròn trong một buồng đốt cố định.
• Động cơ piston tròn (wanlek): Loại động cơ này có cấu trúc đặc biệt với piston hình tròn, chuyển động trong một đường cong khép kín.
• Động cơ piston tự do: Động cơ này có piston di chuyển tự do trong xi lanh mà không cần sự điều khiển của các bộ phận như trục khuỷu hay thanh truyền.

Phân loại theo chu kỳ làm việc

Phân loại động cơ theo chu kỳ làm việc là một phương pháp phổ biến và quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô và cơ khí. Theo tiêu chí này, động cơ đốt trong được chia thành hai loại: động cơ 2 kỳ và động cơ 4 kỳ.

• Động cơ 2 kỳ: Hoạt động nhanh chóng với chỉ hai giai đoạn nén và đốt, động cơ 2 kỳ thường được sử dụng trong các loại phương tiện nhỏ như xe máy, xe tay ga và các thiết bị công nghiệp nhỏ.
• Động cơ 4 kỳ: Đây là loại động cơ phổ biến nhất và được sử dụng rộng rãi trên nhiều loại phương tiện và máy móc khác nhau. Động cơ 4 kỳ có bốn giai đoạn làm việc gồm hút, nén, đốt và xả, giúp tăng hiệu suất và giảm lượng khí thải ra môi trường. Nhờ đó, động cơ 4 kỳ được ưa chuộng hơn trong các dòng xe hơi, xe tải và thậm chí là các thiết bị công nghiệp nặng.

Phân loại theo cách sắp xếp piston và xi lanh

Cách phân loại theo sắp xếp piston và xi lanh chủ yếu được áp dụng trong ngành công nghiệp ô tô, giúp tối ưu hóa không gian và cải thiện hiệu suất hoạt động của động cơ. Dưới đây là một số loại động cơ phổ biến theo tiêu chí này:

• Động cơ I (động cơ thẳng hàng): Các xi lanh của động cơ này được sắp xếp thành một hàng thẳng duy nhất, thường thấy trong các dòng xe phổ thông. Động cơ này có cấu trúc đơn giản, dễ bảo dưỡng và phù hợp cho các xe có không gian giới hạn.
• Động cơ V: Các xi lanh được sắp xếp thành hình chữ V, giúp tiết kiệm không gian và tăng khả năng vận hành. Động cơ V thường được sử dụng trong các dòng xe hạng sang, xe thể thao với hiệu suất cao.
• Động cơ VR: Đây là sự kết hợp giữa động cơ I và động cơ V. Các xi lanh trong động cơ VR được đặt nghiêng một góc 15 độ, giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm bớt độ phức tạp trong cấu trúc. Loại động cơ này thường xuất hiện trong các dòng xe nhỏ gọn nhưng yêu cầu hiệu suất lớn.
• Động cơ W (động cơ VV): Với cấu trúc xi lanh sắp xếp thành hình chữ W, động cơ này thường được sử dụng trong các xe đua, nơi hiệu suất và tốc độ được ưu tiên hàng đầu. Tuy nhiên, động cơ W đòi hỏi kỹ thuật chế tạo phức tạp và chi phí bảo dưỡng cao.