Tìm hiểu về động cơ của xe ô tô (Phần II)

Trong phần I của bài viết chúng ta đã được tìm hiểu cấu tạo cơ bản của một chiếc động cơ đốt trong trên xe ô tô, cùng với một số thuật ngữ hay dùng để chỉ công suất và độ mạnh yếu của một chiếc động cơ. Trong phần hai này, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu xem các hệ thống trong một chiếc động cơ hoạt động như thế nào?

Động cơ ô tô là một trong những thành phần có cấu tạo và hoạt động phức tạp nhất trong cả chiếc xe, bên cạnh xilanh và hệ thống truyền động, nạp nhiên liệu, một chiếc động cơ còn phải có các hệ thống như hệ thống đánh lửa, hệ thống làm mát, hệ thống nạp và khởi động, hệ thống bôi trơn, hệ thống cung cấp và xả nhiên liệu, hệ thống khí thải và hệ thống điện. Trước tiên chúng ta sẽ tìm hiểu về cách thức hoạt động của từng hệ thống này.

Hệ thống nạp nhiên liệu

Hệ thống nạp nhiên liệu có nhiệm vụ cung cấp hỗn hợp nhiên liệu bao gồm xăng/dầu và không khí vào xilanh. Hệ thống nhiên liệu được chia thành 3 loại: Chế hòa khí, phun nhiên liệu gián tiếp và phun nhiên liệu trực tiếp. Các động cơ ô tô và xe máy trước đây thường sử dụng bộ chế hòa khí để trộn hỗn hợp nhiên liệu và không khí, do cấu tạo đơn giản, nhỏ gọn và giá thành rẻ.

Tuy nhiên sau những năm 1980, hầu hết các động cơ ô tô chạy xăng đều sử dụng bộ phun nhiên liệu trực tiếp. Sau này, các động cơ được trang bị công nghệ hiện đại hơn với hệ thống phun nhiêu liệu điện tử EFI (Electronic Fuel Injection). EFI có rất nhiều ưu điểm so với bộ chế hòa khí, như có thể tạo tỷ lệ gần ngưỡng lý tưởng ở tất cả các xi-lanh, tùy theo điều kiện vận hành của chúng. Bên cạnh đó EFI có thể điều chỉnh lượng xăng theo từng chế độ vận hành của động cơ. Tuy nhiên, rắc rối của EFI bắt nguồn từ chính sự phức tạp của nó, khiến cho việc bảo dưỡng và sửa chữa gặp nhiều khó khăn. Chúng ta sẽ tìm hiểu kỹ hơn về hệ thống EFI trong một bài viết khác của Genk.

Hệ thống xả khí thải

Hệ thống xả bao gồm đường ống xả và bộ giảm thanh. Nếu không có bộ giảm thanh thì bạn sẽ nghe thấy âm thanh của hàng ngàn tiếng nổ thoát ra từ đường ống xả. Bộ giảm thanh sẽ làm giảm âm lượng tiếng nổ của động cơ. Hệ thống xả còn có bộ lọc xúc tác nhằm lọc bớt các chất độc hại của khí thải trước khi thải chúng ra ngoài môi trường.

Hệ thống đánh lửa

Hệ thống đánh lửa có tác dụng sinh ra nguồn điện cao áp và đưa đến nến điện sinh ra tia lửa đốt cháy nhiên liệu. Bạn dễ dàng tìm ngay ra hệ thống đánh lửa nhờ bộ phân phối điện (chia điện). Bộ chia điện có một đường dây cao áp nối vào trung tâm (còn gọi là dây cao áp chính) và có 4, 6 hoặc 8 dây cao áp nối với các bugi (gọi là dây cao áp con, số dây cao áp con phụ thuộc vào số xilanh của động cơ). Bộ chia điện sẽ phân phối cho mỗi xilanh nhận được nguồn điện cao áp một lần trong một chu trình vào đúng thời điểm thích hợp của kỳ nén để quá trình cháy hoàn hảo nhất, động cơ sẽ hoạt động hiệu quả và êm dịu nhất.

Hệ thống làm mát

Hệ thống làm mát trên xe hơi gồm có bộ tản nhiệt (két nước làm mát) và bơm nước cùng các ống dẫn và cảm biến nhiệt độ. Nước được luân chuyển trong động cơ và đi ra ngoài tới két mát để làm lạnh. Một số xe ô tô, trong đó có Volswagen Beetles và các xe mô tô hay máy cắt cỏ, động cơ được làm mát bằng không khí (các động cơ này rất dễ nhận ra bởi các cánh tản nhiệt bên ngoài mỗi xi lanh). Tản nhiệt không khí có ưu điểm là trọng lượng của động cơ nhẹ hơn nhưng mức độ tản nhiệt kém hơn làm mát bằng nước nên nhiệt độ động cơ nóng hơn, hiệu suất và tuổi thọ giảm đi.

Hệ thống nạp và hệ thống khởi động

Đa số các xe ô tô sử dụng hệ thống nạp bình thường (tức là hút khí tự nhiên nhờ độ chênh áp giữa áp suất của không khí bên ngoài và độ chân không trong xilanh). Đối với các ô tô hiện đại, để tăng hiệu suất động cơ người ta sử dụng hệ thống nạp khí Turbocharged hoặc Supercharged để tăng lượng không khí nạp vào động cơ đồng thời tăng mức độ hòa trộn không khí và nhiên liệu giúp cho áp suất nén tăng lên, quá trình cháy hoàn hảo hơn và hiệu suất cao hơn. Bộ Turbocharged sử dụng một tuabin nhỏ nhờ năng lượng của dòng khí thải làm quay máy nén khí còn bộ Supercharged lại sử dụng trực tiếp nguồn công suất của động cơ để làm quay máy nén khí.

Hệ thống khởi động gồm có một động cơ điện và một cuộn dây khởi động từ. Khi bạn bật khóa điện khởi động, động cơ điện làm quay trục khuỷu động cơ vài vòng để tạo nên quá trình nén, nổ. Động cơ khởi động cần phải thắng được những sức cản sau:

- Toàn bộ lực ma sát của động cơ

- Lực nén của xilanh động cơ (đối với xilanh nào đó đang ở quá trình nén)

- Phần năng lượng để trục cam đóng và mở xu-páp

- Tất cả những hệ thống phụ khác như bơm nước làm mát, bơm dầu, máy phát điện,...

Vì nguồn điện từ ắc quy của xe chỉ là 12 V trong đó công suất của động cơ điện lại phải rất lớn để thắng được những lực cản trên đây, nên dòng điện sử dụng cho động cơ điện khá cao. Để tăng độ bền cho hệ thống khởi động cần phải giảm tải cho khóa điện bằng cách sử dụng khởi động từ đóng mở dòng điện vào động cơ điện. Như vậy khi bạn bật khóa điện khởi động động cơ, bạn đã cấp điện cho khởi động từ làm việc để đóng mở nguồn điện cho máy khởi động.

Hệ thống bôi trơn

Hệ thống bôi trơn có tác dụng đưa dầu bôi trơn đến các bề mặt của các chi tiết chuyển động của động cơ để chúng di chuyển dễ dàng hơn. Có hai cụm chi tiết chính cần bôi trơn, đó là piston và các ổ bi hoặc bạc trục khuỷu và trục cam của động cơ. Đối với đa số động cơ, dầu bôi trơn được hút từ bình chứa dầu sau đó qua bộ lọc và được nén dưới áp suất cao đến các bề mặt bạc lót và thành xilanh. Sau đó lượng dầu này lại chảy về đáy các-te để tiếp tục một chu trình tuần hoàn mới.

Hệ thống điện

Hệ thống điện gồm có nguồn điện (ắc quy) và máy phát điện. Máy phát điện dẫn động bằng dây đai và sinh ra điện năng để nạp cho ắc quy. Nguồn điện 12 vôn của ắc quy sẽ cung cấp cho toàn bộ hệ thống điện như hệ thống đánh lửa, radio, đèn pha, bộ rửa kính điện, hệ thống đóng cửa điện,... nhờ hệ thống dây điện của xe.

Các công nghệ hiện đại trong động cơ ô tô ngày nay

Công nghệ tăng áp

Chúng ta vẫn thường nghe thấy thuật ngữ động cơ turbo tăng áp hay twin turbo tăng áp kép, vậy công nghệ tăng áp trong động cơ là gì? Động cơ cần 3 thứ để hoạt động: nhiên liệu, không khí và đánh lửa. Nén nhiều không khí hơn vào xi-lanh sẽ tạo ra nhiều công suất hơn cho động cơ, quá trình này thường dùng một bộ phận hay gọi là turbocharger hay supercharger. Nhiệm vụ của các bộ phận này là nén không khí vào buồng đốt ở áp suất cao tạo ra tỉ số nén cao hơn. Gần giống như việc overclocking trên máy tính, việc tăng áp trong động cơ giúp những chiếc xe đạt được sức mạnh lớn hơn.

Trục cam đặt phía trên

DOHC (hệ thống cam đôi) đề cập đến số cam trên mỗi xi-lanh trong động cơ. Trục cam có nhiệm vụ kiểm soát lưu lượng nhiên liệu và không khí đi vào trong buồng đốt. Trục cam nằm phía trên cho phép có nhiều van nạp và xả trên động cơ, đồng nghĩa với việc có nhiều nhiên liệu, không khí được phép vào buồng đốt hơn. Bên cạnh đó, xả khí đạt được hiệu suất cao, thêm công suất của động cơ.

Kiểm soát thời điểm đóng mở van

Máy tính sẽ tính toán lúc nào cần nạp thêm không khí và nhiên liệu vào để có thể tăng tốc tốt hay giảm lượng nạp khi động cơ hoạt động ở tốc độ thấp hơn. Toyota gọi công nghệ này là VVT-I (variable valve timing with intelligence), Honda là VTEC và BMW có công nghệ Valvetronic.

Máy tính kiểm soát động cơ

Ôtô ngày nay thường có một bộ phận kiểm soát các hoạt động của chúng bằng một bộ phận gọi là ECU (Engine Control Unit). Bộ phận này kiểm soát chặt chẽ khoảng thời gian đánh lửa của bugi, lượng khí và nhiên liệu nạp... Bên cạnh đó còn có một máy tính khác kiểm soát hệ thống điện, túi khí, nhiệt độ, hệ thống chống bó cứng phanh (ABS).

Động cơ diesel thế hệ mới

Động cơ diesel hiện đại ngày nay mạnh hơn, sạch và tiết kiệm nhiên liệu hơn rất nhiều so với trước kia. Những cỗ máy này sử dụng dầu diesel ít lưu huỳnh hơn, giảm các chất độc hại trong khí thải. Các động cơ diesel của Volkswagen, Mercedes, BMW... đều sử dụng tăng áp hay phun nhiên liệu trực tiếp để đạt hiệu quả cao. Đây cũng là một yếu tố phải cân nhắc khi khách hàng chọn mua xe.

Động cơ lai (Hybrid)

Giá nhiên liệu tăng cao cùng sự quan tâm lớn đến môi trường dẫn đến những thay đổi mà đáng kể nhất là động cơ hybrid. Động cơ kết hợp giữa động cơ điện hiện đại và động cơ đốt trong kiểu truyền thống nhằm mục đích giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ và thải ra ít chất độc hại hơn. Toyota Prius là ô tô hybrid bán ra nhiều nhất tại Mỹ. Động cơ đốt trong 1.8L đi cùng một mô-tơ điện sản sinh ra công suất 134 mã lực. Ở tốc độ thấp, động cơ điện sẽ hoạt động và xe hoàn toàn không sử dụng nhiên liệu. Khi chạy ở tốc độ cao sẽ là sự kết hợp của truyền thống và hiện đại. Lượng tiêu thụ nhiên liệu vào khoảng 4,7 lít/100 km cho đường hỗn hợp.

Tham khảo: HowStuffWork (1), (2)