Động cơ đốt trong là gì? Top 5 loại động cơ đốt trong

Động cơ đốt trong là một loại động cơ nhiệt quan trọng đối với xe ô tô. Đây là loại động cơ hoạt động theo cơ chế biến nhiệt năng thành công năng, theo 4 kỳ nạp - nén - nổ - xả. Tuỳ vào đặc điểm đặc trưng của động cơ như nhiên liệu, công suất,... để các nhà sản xuất ô tô trang bị loại động cơ phù hợp.

Động cơ đốt trong là gì?

Động cơ đốt trong là một loại động cơ nhiệt, trong đó xảy ra quá trình đốt cháy nhiên liệu với không khí trong buồng đốt. Tại đây, khi quá trình đốt cháy xảy ra tạo nên sự giãn nở của khí ở nhiệt độ cao và áp suất cao biến nhiệt năng thành công năng tác động lên những bộ phận như piston, cánh tuabin, cánh quạt hoặc vòi phun. Lực này làm di chuyển phương tiện trong một quãng đường nhất định.

Động cơ đốt trong là gì?

>>> Tham khảo thêm bài viết về: Động cơ Hybrid

Khoảng vào năm 1860, Étienne Lenoir phát minh ra động cơ đốt trong được ứng dụng thương mại đầu tiên. Và đến năm 1876, động cơ đốt trong hiện đại đầu tiên được Nicolaus Otto tạo ra.

Động cơ đốt trong thường sử dụng các loại nhiên liệu năng lượng cao như xăng, dầu diesel hoặc những chất lỏng có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch để vận hành. Động cơ đốt trong được ứng dụng rộng rãi và trở thành nguồn sinh công năng quan trọng cho các loại phương tiện di chuyển như ô tô, tàu thuỷ, máy bay,... 

Hiện nay, các loại nhiên liệu tái tạo ngày càng được sử dụng rộng rãi hơn để bảo vệ nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt. Một số loại nhiên liệu tái tạo phổ biến có thể kể đến như diesel sinh học, bioethanol, metanol,...

Ứng dụng của động cơ đốt trong

Bởi cơ chế biến nhiệt năng thành công năng tiện lợi nên động cơ đốt trong được ứng dụng phổ biến trong các loại phương tiện di chuyển như xe máy, ô tô, máy bay, tàu thuỷ,... và sản xuất.

Riêng với ngành ô tô, những ưu điểm nổi bật của động cơ đốt trong như nhỏ gọn, tốc độ quay nhanh giúp xe vận hành nhanh chóng nên được ứng dụng rộng rãi.

Nhà sản xuất thường đặt động cơ tại 3 vị trí: đầu, thân và đuôi xe với những ưu nhược điểm riêng. Việc ứng dụng của động cơ đốt trong vào xe ô tô khiến xe di chuyển trong quãng đường xa hơn với vận tốc mạnh mẽ hơn. Ngoài ra, các loại xe sử dụng động cơ đốt trong dùng nguyên liệu diesel còn giúp người điều khiển tiết kiệm chi phí vận hành.

Cấu tạo động cơ đốt trong

Sau khi tìm hiểu về khái niệm động cơ đốt trong cũng như ứng dụng động cơ đốt trong dùng cho ô tô, chúng ta tiếp tục tìm hiểu các bộ phận cấu tạo nên loại động cơ này.

Cấu tạo động cơ đốt trong

Về cơ bản, cấu tạo động cơ đốt trong bao gồm 2 cơ cấu và 4 hệ thống như bên dưới:

Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền

Đây là bộ phận có nhiệm vụ nhận năng lượng tạo nên từ quá trình đốt cháy nhiên liệu, bao gồm các thành phần với cấu tạo và chức năng sau:

• Xi lanh: Là bộ phận bao bọc bên ngoài piston đặt trong thân động cơ, kết hợp cùng nắp xilanh và đỉnh piston tạo nên buồng đốt, đồng thời dẫn hướng cho piston chuyển động tịnh tiến.

• Piston: Là một trong những bộ phận quan trọng của động cơ đốt trong. Piston có hình dáng trụ ngắn, nằm bên trong xi lanh với 3 phần chính: đỉnh, thân và chốt piston. Bộ phận này đảm nhiệm 2 nhiệm vụ chính: Nén nhiên liệu và chuyển nhiệt năng thành động năng thông qua cơ cấu trượt trong xi lanh, qua thanh truyền và chốt piston truyền đến trục khuỷu.

• Thanh truyền (còn được gọi là tay biên): Là bộ phận kết nối trực tiếp piston với trục khuỷu hay được biết đến là chi tiết của tay biên. Thanh truyền có nhiệm vụ truyền lực tác động và biến chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động tròn của trục khuỷu.

• Trục khuỷu: Là bộ phận kết nối với thanh truyền. Trục khuỷu tiếp nhận chuyển động tịnh tiến của piston thông qua thanh truyền thành chuyển động quay khi động cơ hoạt động. Trục khuỷu vừa cung cấp động năng cho bánh đà, đồng thời tác động ngược lại piston từ lực của bánh đà để làm nên một chu kỳ mới.

Cơ cấu phân phối khí

Là tên gọi chung của các chi tiết làm nhiệm vụ nạp khí mới vào buồng đốt cũng như xả khí thải từ xi lanh. Bộ phận này hoạt động bằng cách đóng/ mở hệ thống cửa nạp/ xả để thực hiện nhiệm vụ.

Hệ thống bôi trơn

Có chức năng đưa dầu bôi trơn từ bình chứa đến các chi tiết bên trong động cơ. Quá trình này giúp giảm lực ma sát, để các chi tiết chuyển động mượt mà, hoạt động ổn định và bền bỉ.

Hệ thống khởi động

Hệ thống khởi động bao gồm cả hệ thống đánh lửa của động cơ đốt trong. Chức năng chính của bộ phận này giúp khởi động động cơ, bắt đầu chu kỳ của phiên làm việc mới. 

Hệ  thống nhiên liệu và khí

Bao gồm các thành phần như kim phun, hoà khí điều khiển điện tử hoặc bộ chế hoà khí, các cơ cấu lọc và các chi tiết khác. Bộ phận này có nhiệm vụ hoà trộn không khí sạch với nhiên liệu theo một tỷ lệ phù hợp trước mỗi chu kỳ hoạt động, sau đó phun chúng vào buồng đốt.

Hệ thống làm mát

Bởi vì động cơ đốt trong tỏa nhiệt rất lớn nên cần được làm mát bằng hệ thống làm mát nhằm đưa nhiệt độ của động cơ về một mức độ cho phép, từ đó bảo vệ các bộ phận không bị ảnh hưởng bởi sự gia tăng nhiệt độ, giúp động cơ hoạt động bền bỉ.

Phân loại động cơ đốt trong

Bởi vì khả năng ứng dụng rộng rãi của động cơ đốt trong nên chúng có sự đa dạng cả về kích thước, công suất, nhiên liệu sử dụng,... Vậy nên, để dễ hình dung, chúng ta có thể phân loại động cơ đốt trong theo 4 cách dưới đây:

Theo chu kỳ làm việc, bao gồm:

• Động cơ 1 kỳ: Đây là loại động cơ được làm lại từ động cơ 4 kỳ, gồm 4 buồng đốt với các piston di chuyển cùng lúc, nên dù sở hữu 4 kỳ nhưng chỉ sinh công cho tất cả các kỳ. Một kiểu thiết kế động cơ 1 kỳ khác là sử dụng một khối piston có chứa khoang nổ và khoang nén.

Phân loại động cơ đốt trong

• Động cơ hai kỳ: Có chu trình làm việc hoàn tất trong 2 hành trình chuyển động của piston, tương ứng với một vòng quay của trục khuỷu. Động cơ này chỉ diễn ra 2 quá trình nén và nổ, đồng thời hỗn hợp không khí - nhiên liệu mới sẽ bị trộn lẫn với lượng khí thải cũ khi thay đổi khí mở.

• Động cơ 3 kỳ: Được cấu tạo gồm hai piston được gắn trên cùng một trục khuỷu, trong cùng một xi lanh. Khi trục khuỷu hoàn thành một vòng quay, hai piston sẽ di chuyển tịnh tiến đến gần nhau rồi lại xa ra về hai đầu của xi lanh, hoàn thành một chu trình cháy.

• Động cơ 4 kỳ: Chu trình làm việc của động cơ này hoàn thành trong 4 hành trình chuyển động của piston, tức 2 vòng quay của trục khuỷu. Việc thay đổi khí kín, hỗn hợp không khí - nhiên liệu mới được tách biệt với khí thải trước đó.

• Động cơ 6 kỳ: Chu trình làm việc ngoài hành trình 4 vòng của piston còn thêm 2 hành trình phụ là nén và đốt cháy lại khí thải. Điều này dẫn đến việc động cơ 6 kỳ tạo ra công hữu ích chiếm 1/3 tổng số kỳ, lớn hơn so với động cơ 4 kỳ chỉ tạo nên 1/4 công hữu ích. Khi có cùng dung tích xi lanh, động cơ có tỷ lệ sinh công hữu ích lớn hơn sẽ có công suất lớn hơn.

Kinh nghiệm lái xe cho thấy ưu điểm của động cơ 6 kỳ là tiết kiệm nhiên liệu, bảo vệ môi trường khi giảm bớt lượng khí thải cũng như mang đến hiệu suất cao hơn. Do động cơ này tận dụng lượng nhiệt thải của kỳ sinh công đầu tiên để sinh hơi nước làm mát động cơ cũng như đẩy piston.

Theo nhiên liệu sử dụng

• Động cơ xăng: Hỗn hợp nhiên liệu và không khí được nén ở áp suất cao, đốt cháy bởi bugi sinh nhiệt để làm chuyển động piston.

• Động cơ diesel: Diesel sẽ được phun vào buồng đốt và tự bốc cháy. Động cơ diesel có hiệu suất sao, mức tiêu thụ nhiên liệu thấp cũng như tải thấp hoặc trung bình.

• Động cơ khí đốt 

• Sử dụng các loại nguyên liệu khác để chạy động cơ như khí hidro,...

Nguyên lý chuyển động Piston

• Động cơ được đẩy bởi Piston

• Động cơ Piston tròn

• Động cơ piston quay

• Động cơ piston tự do

Theo số xilanh và hình dạng của động cơ

Tùy theo số lượng xi lanh động cơ Otto và động cơ diesel có thể được chế tạo thành:

• Động cơ 1 xi lanh.

• Động cơ I2, I3, I4, I5, I6 hay I8: Các xi lanh xếp thành một hàng duy nhất.

• Động cơ chữ V 2, 4, 6, 8, 10, 12, 16 xi lanh (động cơ V2, V4, V6, V8, V10, V12 hay V16): Các xi lanh xếp theo hình chữ V.

• Động cơ VR 6 hay 8 xi lanh: Là sự kết hợp hai thiết kế động cơ thẳng hàng và động cơ chữ V, các xi lanh được xếp nghiêng một góc 15 độ so với phương thẳng đứng.

• Động cơ chữ W 3, 8, 12 hay 16 xi lanh: Thường sử dụng trong các dòng xe đua.

• Động cơ Boxer có các piston đặt trên mặt phẳng nằm ngang đỉnh đối nhau.

• Động cơ piston hướng kính 5, 6, 7, 8, 9 hay 12 xi lanh: Hay còn gọi là động cơ piston tỏa tròn hoặc động cơ hình sao.

• Động cơ piston đối.

Động cơ đốt trong làm việc như thế nào?

Động cơ đốt trong thường có 4 kỳ làm việc chung bao gồm: nạp - nén - nổ - xả. Trong đó, động cơ đốt trong của ô tô thường sử dụng hai loại động cơ là 4 kỳ và 2 kỳ với nguyên lý làm việc cụ thể như sau:

Động cơ đốt trong 4 kỳ:

• Kỳ nạp: Bắt đầu làm việc, van nạp mở ra cũng như van xả đóng lại để nhiên liệu và không khí đi vào xi lanh thông qua sự chuyển động của piston. Quá trình nạp bắt đầu khi piston ở vị trí trên và kết thúc sau khi piston tịnh tiến xuống vị trí bên dưới.

• Kỳ nén: Sau khi nhiên liệu và không khí đi vào xi lanh, cả hai van nạp xả đều đóng lại để piston thực hiện nhiệm vụ nén chặt hỗn hợp vừa đi vào. Sau khi piston di chuyển lên vị trí trên, hỗn hợp sẽ bị đốt cháy bởi bugi (động cơ xăng) hoặc tự bốc cháy (động cơ diesel), kết thúc kỳ nén.

• Kỳ nổ: Sau quá trình đốt cháy nhiên liệu và không khí làm gia tăng nhiệt độ và áp suất khiến piston dịch chuyển từ vị trí trên xuống vị trí dưới, tạo nên chuyển động quay của trục khuỷu. 

• Kỳ xả: Ở kỳ này, van xả mở ra, van nạp đóng. Piston chuyển động từ vị trí dưới lên vị trí trên đồng thời đẩy lượng khí thải ra bên ngoài môi trường, kết thúc một chu kỳ làm việc. 

Động cơ đốt trong 4 kỳ là việc như thế nào?

Động cơ đốt trong 2 kỳ:

Động cơ này không có 2 van nạp, xả tách biệt như ở động cơ 4 kỳ mà được thiết kế thành những lỗ xả nạp ngay trên xi lanh và đóng, mở theo quá trình hoạt động của piston.

• Kỳ nén: Bắt đầu làm việc, xi lanh sẽ nằm gần vị trí trên của xi lanh. Lúc này, lỗ xả và nạp đóng lại, piston nén hỗn hợp nhiên liệu và không khí theo chuyển động đi lên vị trí trên. Đây cũng là lúc xi lanh nạp nhiên liệu và không khí mới vào.

• Kỳ nổ: Trong buồng đốt, hỗn hợp nhiên liệu và không khí được đốt cháy tạo nên sự gia tăng nhiệt độ và áp suất làm piston chuyển động từ vị trí trên xuống vị trí dưới. Quá trình này cũng đồng thời đẩy lượng khí thải ra bên ngoài.

>>> Xem thêm: Động cơ diesel là gì?

Trong quá trình sử dụng xe ô tô, chủ sở hữu nên có những tính toán về chi phí sử dụng để có khoản dự trù hợp lý. Bạn có thể truy cập Công cụ tính chi phí vận hành xe hơi Việt Nam tại Nuôi xe để ước tính chi phí sử dụng xe miễn phí.

Mỗi loại động cơ đốt trong có đặc điểm riêng biệt về thiết kế, cấu tạo cũng như nguyên lý làm việc, phù hợp với từng mục đích khác nhau. Động cơ đốt trong với ưu điểm hoạt động ổn định, độ bền cao, hình dáng nhỏ gọn, công suất mạnh mẽ,... nên được ứng dụng rộng rãi trong đời sống cũng như sản xuất.