Động cơ bốn thì, 3 lít, V6 là gì?

Hà Dương Cự

Một máy xe hơi V6 của Mercedes. 

Khi bạn đi mua xe hơi chắc đã nghe người bán xe nói tới những từ như 2 lít, V6 hay bộ tăng áp (turbocharger). Những từ đó có nghĩa gì trong kỹ nghệ xe hơi? Trong bài này tôi nói về lịch sử,  những nguyên lý căn bản của động cơ nổ và áp dụng vào xe hơi.

Động cơ nổ có tên chính thức là động cơ đốt trong (internal combustion engine) có nghĩa là nhiên liệu được đốt trong một khoang kín trong máy, gọi là buồng đốt (combustion chamber). Sở dĩ gọi là động cơ đốt trong để phân biệt với loại động cơ đốt ngoài (external combustion engine). Một thí dụ của động cơ đốt ngoài là máy hơi nước (steam engine), hồi xưa các xe lửa đều dùng máy hơi nước. Nguyên liệu như than hay củi được đốt ở ngoài máy để tạo hơi nước và hơi nước được dùng trong máy để gây ra sự chuyển động.

Động cơ đốt ngoài không có hiệu năng bằng động cơ đốt trong nên dần dần không được dùng nữa.

Lịch sử động cơ nổ

Có nhiều nhà khoa học đã đóng góp cho việc chế tạo động cơ nổ, mỗi người góp một chút và không thể nói ai là người sáng chế ra động cơ nổ. Trước thế kỷ thứ 19 các động cơ nổ thường là loại động cơ đốt ngoài như máy hơi nước. Vì những gì có thể đốt cháy được như củi hay than đá đều có thể làm nhiên liệu nên loại động cơ đốt ngoài được phát triển dễ dàng.

Vào thế kỷ thứ 17, nhiều nhà nghiên cứu cũng đã thử nghiệm với động cơ đốt trong. Nhà vật lý gia người Hòa Lan, ông Christian Huygens là người đầu tiên đã thử động cơ đốt trong nhưng chưa có một nguồn nguyên liệu thích hợp nên không thành công. Mãi đến năm 1859, một kỹ sư người Pháp J. J. Étienne mới chế tạo được một động cơ đốt trong.

Vào cuối thế kỷ thứ 19 một kỹ sư người Đức, ông Nikolaus Otto đã phát minh ra một loại động cơ nổ gọi là động cơ 4 thì. Thiết kế của ông Otto vẫn được dùng cho đến bây giờ.

Các loại động cơ nổ

Nguyên tắc căn bản của động cơ nổ là đốt cháy một hỗn hợp nhiên liệu và không khí trong một xy-lanh. Nhiên liệu khi cháy sẽ biến thành một lượng hơi lớn và gây ra một lực đẩy pít-tông xuống. Pít-tông được nối với một trục khuỷu (crankshaft). Khi pít tông chuyển động lên xuống sẽ làm quay trục khuỷu và bánh xe.

1-Động cơ bốn thì

Một chu kỳ của động cơ nổ bốn thì có bốn giai đoạn như hình minh họa sau đây:

Động cơ bốn thì. 

Nạp (induction) – trong giai đoạn này pít tông đi xuống để cho hỗn hợp nhiên liệu và không khí vào xy-lanh qua van nạp (Fuel and air inlet). Van xả (exhaust outlet) đóng trong giai đoạn này.

Nén (compression) – trong giai đoạn này pít tông đi lên nén hỗn hợp nổ lại. Cả hai van xả và nạp đều được đóng. Khi bị nén không khí nóng lên và hỗn hợp cũng nóng theo làm cho hỗn hợp nổ dễ cháy.

Lực (power) – sau khi pít tông lên hết thì một tia lửa phát ra từ cái đánh lửa (spark plug) làm cháy hỗn hợp nổ và sinh ra một luồng hơi đẩy pít tông xuống. Trong bốn giai đoạn chỉ có giai đoạn này là sinh ra lực đẩy. Cả hai van đều được đóng. Giai đoạn này cũng được gọi là nổ (combustion).

Xả (exhaust) – Trong giai đoạn này van nạp đóng và van xả mở, pít tôngđi lên và đẩy hơi đã bị đốt ra ngoài qua van xả. Khi pít tông lên đến đỉnh của xy-lanh thì bắt đầu đi xuống và một chu kỳ mới bắt đầu.

2-Động cơ hai thì

Động cơ hai thì cũng có đủ bốn bước: nạp, nén, lực và xả. Nhưng pít tông chỉ có lên và xuống một lần trong một chu kỳ. Có nhiều thiết kế của động cơ hai thì. Một kiểu hiện đại có hoạt động như sau:

Pít tông đi lên, van xả và van nạp đóng lại, hổn hợp nổ bị nén lại. Pít tông lên hết thì một tia lửa xẹt ra từ cái đánh lửa. Hỗn hợp bùng cháy thành hơi nóng và đẩy pít tông xuống. Trong khi pít tông đi xuống thì hỗn hợp nhiên liệu và không khí luồn vào trong xy-lanh và đồng thời làm hơi nóng thoát ra ngoài.

Động cơ bốn thì có hiệu năng cao hơn và không ô nhiễm không khí bằng động cơ hai thì. Động cơ hai thì đơn giản hơn động cơ bốn thì vì không cần hệ thống van phức tạp, nên động cơ hai thì nhẹ hơn động cơ bốn thì. Vì vậy những dụng cụ cầm tay hay những xe gắn máy thời xưa đều dùng động cơ hai thì.

3-Động cơ dầu cặn (diesel)

Động cơ dầu cặn cũng hoạt động tương tự như động cơ bốn thì. Đầu tiên pít tông đi xuống và không khí được hút vào xy-lanh, rồi pít tông đi lên nén không khí lại.Với động cơ bốn thì thì hỗn hợp không khí và nhiên liệu được nén tới khoảng 1 phần mười thể tích trước đó. Nhưng động cơ dầu cặn thì không khí bị nén tới từ 14 tới 25 lần. Khi bị nén thì không khí trở nên nóng, sức ép càng cao thì càng nóng, thường lên tới trên 500 độ C.

Sau khi không khí bị nén thì dầu cặn được phun vào xy-lanh. Vì không khí quá nóng, dầu cặn tự bốc cháy không cần cái đánh lửa. Nhiên liệu cộng với không khí bốc cháy thành hơi nóng, sinh ra lực đẩy pít tông xuống. Khi pít tông đi lên lại thì hơi nóng bị đẩy ra ngoài theo van xả. Rồi pít tông lại đi xuống làm một chu kỳ kế tiếp.

So với động cơ chạy xăng, động cơ dầu cặn đơn giản hơn, có hiệu năng hơn và ít tốn kém hơn. Động cơ dầu cặn là động cơ được dùng nhiều nhất trong kỹ nghệ. Động cơ dầu cặn được dùng làm đầu máy xe lửa, xe ủi đất và tàu ngầm (trước khi có tàu ngầm nguyên tử).

Một điểm yếu của động cơ dầu cặn là ô nhiễm môi trường vì nó phun ra nhiều hạt nhỏ độc hại. Nhiều công ty xe hơi đã sản xuất xe du lịch có động cơ dầu cặn, nhưng vấn đề lọc chất ô nhiễm vẫn không được giải quyết thỏa đáng. Trong tương lai chắc xe du lịch chạy dầu cặn không được dùng nữa và thay vào đó là xe điện. Tuy nhiên động cơ dầu cặn vẫn là động cơ chính trong những máy móc nặng.

4-Động cơ nổ trong kỹ nghệ xe du lịch

Các xe du lịch đa số dùng loại động cơ bốn thì, chỉ một số nhỏ dùng động cơ dầu cặn. Máy xe có thể có 4 xy-lanh hay 6 hay 8. Tiếng Việt thì nói xe 4 máy hay 6, 8 máy. Tiếng Mỹ thì nói 4, 6 hay 8 cylinder. Thường thì càng nhiều xy-lanh thì xe càng mạnh, nhưng tốn xăng hơn.

Các xy-lanh này có thể được sắp thẳng hành với nhau, tiếng Mỹ gọi là inline. Xe 4 máy thẳng hàng thì gọi là “inline 4” hay “I4” hay “L4.” Xy-lanh cũng có thể sắp thành hai hàng chéo nhau như hình chữ V. Xe V6 có nghĩa là máy xe có 6 xy-lanh và được đặt thành hai hàng hơi chéo nhau.

Động cơ được tính bằng dung tích của xy-lanh và đơn vị là phân khối (cubic centimeter viết tắt là cc) hay lít. Thí dụ một xe có 4 xy-lanh và dung tích của mỗi xy-lanh là 650 cc, tổng cộng là 2600 cc. Như vậy xe là 2.6 lít. Trên nguyên tắc dung tích càng lớn thì xe càng mạnh.

Để tăng thêm sức nhiều xe có trang bị thêm bộ tăng áp (turbocharger). Bộ tăng áp là một dụng cụ dùng hơi thoát để quay một cánh quạt. Cánh quạt này quay một bộ nén để đẩy thêm không khí vào xy-lanh và đốt thêm nhiên liệu. Kết quả là xe có thêm sức đẩy. Các xe thể thao thường có bộ tăng áp.

Hà Dương Cự

——————-

Nguồn tài liệu:
https://www.energy.gov
https://www.howacarworks.com
http://electron6.phys.utk.edu  

Trở lại