Động cơ đốt trong là gì? Cấu tạo, phân loại, nguyên lý, ứng dụng trong ô tô

Động cơ đốt trong là gì?

Động cơ đốt trong (tiếng Anh: Internal Combustion Engine, viết tắt: ICE) là một loại động cơ nhiệt, trong đó quá trình đốt cháy nhiên liệu diễn ra trực tiếp bên trong buồng đốt - nơi nhiên liệu phản ứng với chất oxy hóa (thường là không khí). Buồng đốt này là bộ phận quan trọng trong chu trình hoạt động của chất lỏng làm việc, tạo ra năng lượng để vận hành động cơ.

Không thể phủ nhận vai trò to lớn của động cơ đốt trong trong đời sống hiện đại. Đây là nguồn năng lượng chính cho phần lớn các phương tiện giao thông trên toàn cầu — từ ô tô, xe máy, tàu thủy, máy bay cho đến các loại máy móc phục vụ trong công nghiệp và nông nghiệp. Dù công nghệ động cơ điện đang phát triển nhanh chóng, động cơ đốt trong vẫn giữ vững vị thế nhờ khả năng vận hành mạnh mẽ, phạm vi hoạt động linh hoạt và ưu điểm lớn về thời gian tiếp nhiên liệu nhanh chóng, đáp ứng tốt nhu cầu sử dụng liên tục và trong điều kiện đa dạng.

Động cơ nhiệt được ứng dụng phổ biến trên ô tô (Nguồn: Internet)

Cấu tạo động cơ đốt trong

Mặc dù có nhiều loại động cơ nhiệt nhưng về cơ bản cấu tạo của chúng đều bao gồm 2 cơ cấu và 4 hệ thống. 

Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền

Đây là bộ phận quan trọng có chức năng tiếp nhận năng lượng được tạo ra từ quá trình đốt cháy nhiên liệu. Bộ phận này gồm các thành phần với cấu tạo và chức năng như sau:

• Xi lanh: Thành phần này được đặt trong thân động cơ, kết hợp cùng nắp xi lanh và đỉnh piston tạo nên buồng đốt trong động cơ đốt trong.
• Piston: Có hình dáng trụ ngắn, nằm bên trong xi lanh, có cấu tạo gồm đỉnh, thân và chốt piston. Piston kết hợp cùng xi lanh tạo nên buồng đốt trong động cơ. Đồng thời, bộ phận này còn chuyển động tịnh tiến trong xi lanh, tiếp nhận công năng được tạo nên từ quá trình đốt cháy nhiên liệu, qua thanh truyền và chốt piston truyền đến trục khuỷu. 
• Thanh truyền (còn được gọi là tay biên): Là bộ phận nối liền piston và trục khuỷu. Nhiệm vụ của thanh truyền là truyền lực tác động và biến đổi chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động tròn của trục khuỷu.
• Trục khuỷu: Trục khuỷu có chức năng biến đổi chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay.

Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền (Nguồn: sưu tầm)

Cơ cấu phân phối khí

Bộ phận này có chức năng chính là đóng/mở hệ thống cửa nạp/cửa xả, từ đó giúp động cơ chủ động nạp hoặc thải khí từ xi lanh ra bên ngoài. 

Hệ thống bôi trơn

Hệ thống bôi trơn có nhiệm vụ vận chuyển và giúp dầu bôi trơn được bôi đều trên các chi tiết bên trong động cơ. Quá trình này giúp giảm tính ma sát bề mặt, đảm bảo cho động cơ hoạt động ổn định và bền bỉ hơn. 

Hệ thống khởi động

Hệ thống giúp động cơ khởi động, bắt đầu cho một quá trình làm việc mới. Khi hệ thống hoạt động, trục khuỷu sẽ được làm quay giúp cho khối động cơ tự nổ máy. 

Hệ thống cung cấp khí và nhiên liệu

Hệ thống này bao gồm các thành phần như: kim phun và hòa khí điều khiển điện tử hoặc bộ chế hòa khí, các cơ cấu lọc và các chi tiết khác. Trước mỗi chu kỳ hoạt động, bộ phận này sẽ có nhiệm vụ hòa trộn không khí sạch với nhiên liệu theo một tỷ lệ phù hợp và phun chúng vào bên trong buồng đốt.

Hệ thống làm mát

Động cơ đốt trong là một động cơ nhiệt do đó thường tỏa nhiệt rất lớn. Hệ thống làm mát sẽ đảm bảo nhiệt độ ổn định cho các bộ phận, các chi tiết, giúp động cơ hoạt động hiệu quả và bền bỉ hơn.

>>> Xem thêm: Nước làm mát ô tô bao lâu phải thay? Cách kiểm tra và thay nước chuẩn nhất

Nguyên lý hoạt động của động cơ đốt trong

Nguyên lý hoạt động cơ bản của động cơ đốt trong là chuyển hóa nhiệt năng sinh ra từ quá trình đốt cháy nhiên liệu thành cơ năng để vận hành máy móc. Quá trình này diễn ra theo các chu trình nhất định, trong đó phổ biến nhất là động cơ 4 kỳ, nhờ tính hiệu quả và ổn định trong hoạt động.

Động cơ bốn kỳ

Động cơ 4 kỳ là loại động cơ được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay, đặc biệt trên ô tô và xe máy. Bốn kỳ này diễn ra trong hai vòng quay của trục khuỷu và bao gồm:

• Kỳ nạp: Ở kỳ làm việc này, van nạp sẽ được mở ra và van xả sẽ đóng lại. Piston chuyển động giúp nạp hỗn hợp không khí và nhiên liệu vào xi lanh. Quá trình nạp này bắt đầu khi piston ở vị trí điểm chết trên và kết thúc khi piston ở vị trí điểm chết dưới.
• Kỳ nén: Ở chu kỳ này, cả hai van nạp, xả đóng, piston thực hiện việc nén hỗn hợp khí và nhiên liệu trong xi lanh. Ở cuối kỳ nén, khi piston chuyển động đến điểm chết trên, hỗn hợp trên sẽ được đốt cháy bởi bộ phận đánh lửa (bugi) (đối với động cơ xăng) và sẽ tự đốt cháy (đối với động cơ diesel).
• Kỳ nổ (còn được gọi là kỳ đốt và sinh công): Ở chu kỳ làm việc này, hai van nạp và xả vẫn đóng. Nhiệt độ và áp suất tăng do quá trình đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và khí, làm piston chuyển động từ điểm chết trên đến điểm chết dưới. Quá trình này tạo nên chuyển động quay của trục khuỷu. Tại điểm kết thúc của kỳ nổ (piston ở điểm chết dưới), van xả bắt đầu mở để chuẩn bị cho chu kỳ tiếp theo.
• Kỳ xả: Ở chu kỳ này, van xả mở, van nạp đóng. Piston chuyển động từ điểm chết dưới lên điểm chết trên, khí trong xi lanh được đẩy ra bên ngoài môi trường. Kết thúc chu kỳ, van xả đóng, van nạp mở để bắt đầu cho một quy trình làm việc mới. 

Động cơ 4 kỳ hoạt động theo chu trình nạp, nén, nổ, xả (Nguồn: Internet)

Động cơ hai kỳ

Động cơ 2 kỳ hoàn thành một chu trình làm việc chỉ trong một vòng quay của trục khuỷu, nhờ việc kết hợp kỳ nạp với kỳ nén, và kỳ nổ với kỳ xả trong cùng một hành trình. Thay vì sử dụng xupap như động cơ 4 kỳ, động cơ 2 kỳ thường sử dụng các cửa nạp và xả được bố trí trực tiếp trên thành xi lanh để điều tiết luồng khí. Nhờ cấu trúc đơn giản, loại động cơ này có mật độ công suất cao, cho khả năng tăng tốc nhanh và thiết kế gọn nhẹ. Tuy nhiên, nhược điểm của chúng là hiệu suất nhiên liệu thấp hơn và phát thải khí thải nhiều hơn. Vì vậy, động cơ 2 kỳ thường được sử dụng trong các thiết bị nhỏ như xe máy phân khối thấp, máy cắt cỏ, máy cưa, hoặc thiết bị cầm tay.

Phân loại động cơ đốt trong

Động cơ đốt trong có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau:

Theo loại nhiên liệu

• Động cơ xăng: Sử dụng xăng làm nhiên liệu và quá trình đốt cháy được kích hoạt bằng tia lửa điện từ bugi. Loại động cơ này thường cho khả năng vận hành êm và nhẹ nhàng hơn.
• Động cơ diesel: Vận hành bằng dầu diesel và không cần bugi, nhiên liệu tự cháy nhờ quá trình nén không khí đến nhiệt độ và áp suất cao. Động cơ diesel nổi bật với mô-men xoắn lớn và hiệu suất nhiên liệu tốt.
• Động cơ khí (CNG, LPG): Sử dụng các loại khí như khí thiên nhiên nén (CNG) hoặc khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG), giúp giảm phát thải và thân thiện hơn với môi trường.

Theo chu kỳ làm việc

• Động cơ 2 kỳ: Hoàn tất một chu trình vận hành chỉ sau 2 hành trình piston (tương ứng với 1 vòng quay trục khuỷu), thường dùng trong các thiết bị nhỏ gọn.
• Động cơ 4 kỳ: Hoàn tất chu trình sau 4 hành trình piston (tức 2 vòng quay trục khuỷu), phổ biến trên ô tô và máy móc hiện đại nhờ hiệu quả cao và lượng khí thải thấp hơn.

Theo cách sắp xếp xi lanh

• Động cơ thẳng hàng (I-engine): Các xi lanh được đặt thẳng hàng theo chiều dọc, cấu tạo đơn giản và dễ bảo trì.
• Động cơ chữ V (V-engine): Xi lanh được bố trí thành hai hàng nghiêng tạo hình chữ V, giúp động cơ gọn và mạnh mẽ hơn.
• Động cơ VR (VR-engine): Là sự kết hợp giữa dạng thẳng hàng và chữ V, với góc nghiêng nhỏ giữa các xi lanh, thường dùng trên một số mẫu xe thể thao.
• Động cơ chữ W (W-engine): Có ba hoặc bốn hàng xi lanh sắp xếp tạo thành hình chữ W, thường được ứng dụng trong các dòng xe hiệu suất cao.

Theo chuyển động của piston

Dựa vào đặc điểm chuyển động của piston, động cơ đốt trong có thể được chia thành ba loại chính:

• Động cơ piston đẩy: Đây là loại phổ biến nhất hiện nay. Trong thiết kế này, piston chuyển động tịnh tiến lên xuống trong xi lanh dưới tác động của quá trình đốt cháy nhiên liệu. Chuyển động tịnh tiến này sau đó được biến đổi thành chuyển động quay thông qua trục khuỷu, tạo ra công suất để vận hành các thiết bị. Loại động cơ này được sử dụng rộng rãi trên ô tô, xe máy, máy móc công nghiệp và nông nghiệp.
• Động cơ piston quay (Wankel): Khác với cơ cấu piston truyền thống, động cơ Wankel sử dụng một rotor hình tam giác cong quay trong một buồng đốt hình oval. Khi rotor quay, các khoang giữa các cạnh của nó và vách buồng đốt thay đổi thể tích, thực hiện các giai đoạn nạp – nén – nổ – xả tương tự động cơ piston đẩy. Động cơ Wankel có thiết kế nhỏ gọn, ít bộ phận chuyển động và vận hành êm, tuy nhiên thường gặp hạn chế về hiệu suất nhiên liệu và độ bền.
• Động cơ piston tự do: Đây là loại động cơ ít phổ biến hơn, trong đó piston di chuyển tự do trong xi lanh mà không gắn trực tiếp với trục khuỷu. Chuyển động của piston được sử dụng để tạo ra năng lượng cơ học hoặc điện năng thông qua các cơ cấu trung gian. Loại động cơ này thường được áp dụng trong các hệ thống phát điện nhỏ, ứng dụng nghiên cứu hoặc các thiết kế yêu cầu tính linh hoạt cao.

Ưu điểm của động cơ đốt trong

• Công suất mạnh mẽ: Động cơ đốt trong có khả năng tạo ra mô-men xoắn và công suất lớn, đặc biệt phù hợp cho các phương tiện vận tải nặng, xe tải đường dài và xe tốc độ cao.
• Dễ sử dụng, vận hành thuận tiện: Việc nạp nhiên liệu diễn ra nhanh chóng chỉ trong vài phút, đồng thời hệ thống trạm xăng dầu đã được phát triển rộng rãi, dễ tiếp cận trên toàn quốc.
• Phạm vi hoạt động lớn: Với một bình nhiên liệu đầy, các phương tiện sử dụng ĐCĐT có thể di chuyển quãng đường dài mà không cần dừng lại để tiếp nhiên liệu.
• Chi phí sản xuất hợp lý: So với động cơ điện và pin công nghệ cao, ĐCĐT có chi phí sản xuất thấp hơn, dễ bảo trì và sửa chữa, phù hợp với nhiều phân khúc người dùng.

Lịch sử phát triển của động cơ đốt trong

Lịch sử phát triển của động cơ đốt trong (ĐCĐT) là một câu chuyện hấp dẫn, gắn liền với những bước đột phá công nghệ và tên tuổi của nhiều nhà phát minh kiệt xuất trong lịch sử nhân loại. Từ những ý tưởng sơ khai đến các ứng dụng hiện đại, ĐCĐT đã trải qua một hành trình dài đầy sáng tạo và cải tiến.

Thế kỷ 17 – Khởi đầu ý tưởng

• Christiaan Huygens (1680) là người đầu tiên đưa ra ý tưởng về một loại động cơ sử dụng thuốc súng làm nhiên liệu để tạo lực đẩy. Dù chưa được ứng dụng thực tế, đây là nền tảng ban đầu cho khái niệm động cơ đốt trong.

Đầu thế kỷ 19 – Những bước thử nghiệm đầu tiên

• Francois Isaac de Rivaz (1807) đã chế tạo một trong những động cơ đốt trong đầu tiên, sử dụng khí hydro làm nhiên liệu.
• Samuel Brown (1824) tiếp tục phát triển động cơ sử dụng khí đốt, đánh dấu những bước tiến sơ khai về mặt kỹ thuật.

Cuối thế kỷ 19 – Cuộc cách mạng thực sự

• Nicolaus August Otto (1876) được ghi nhận là người phát minh ra động cơ 4 kỳ, đặt nền móng cho các động cơ hiện đại ngày nay. Ông được xem là "cha đẻ" của động cơ đốt trong 4 thì.
• Karl Benz (1886) đã chế tạo chiếc ô tô đầu tiên chạy bằng động cơ đốt trong sử dụng xăng, mở ra kỷ nguyên xe hơi.
• Gottlieb Daimler và Wilhelm Maybach cũng góp phần quan trọng trong việc cải tiến và phát triển các loại động cơ xăng nhẹ, mạnh mẽ, phù hợp hơn với phương tiện di chuyển cá nhân.
• Rudolf Diesel (1892) phát minh ra động cơ diesel, hoạt động dựa trên nguyên lý tự cháy do nén, hiệu suất cao hơn và phù hợp với tải trọng lớn.

Thế kỷ 20 – Thời kỳ bùng nổ công nghệ

• Những năm 1970, sự ra đời của hệ thống phun xăng điện tử (EFI) đã thay thế bộ chế hòa khí truyền thống, giúp tối ưu hóa quá trình đốt cháy nhiên liệu, cải thiện hiệu suất và giảm lượng khí thải.
• Các công nghệ như turbocharger (tăng áp), supercharger (siêu nạp) và hệ thống điều khiển điện tử hiện đại đã nâng cao đáng kể hiệu suất vận hành, khả năng phản hồi và tính tiết kiệm nhiên liệu của ĐCĐT.

Thế kỷ 21 – Tiến hóa trong thách thức

• Trước xu hướng điện hóa và yêu cầu giảm phát thải, động cơ đốt trong hiện đại tiếp tục được cải tiến với vật liệu nhẹ hơn, công nghệ hybrid, tích hợp trí tuệ nhân tạo và tối ưu khí thải. Dù đứng trước sự cạnh tranh từ động cơ điện, ĐCĐT vẫn đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là vận tải nặng và các thị trường đang phát triển.

Ứng dụng của động cơ đốt trong dùng trong ô tô

Động cơ đốt trong (ĐCĐT) là công nghệ cốt lõi đứng sau sự vận hành của phần lớn phương tiện và máy móc hiện nay. Bằng cách biến đổi năng lượng hóa học từ nhiên liệu (xăng, dầu diesel…) thành cơ năng, ĐCĐT đóng vai trò trung tâm trong việc giúp các phương tiện di chuyển và các thiết bị hoạt động hiệu quả. Từ giao thông, nông nghiệp đến công nghiệp, sự hiện diện của ĐCĐT gần như không thể thiếu trong đời sống hàng ngày.

Trong lĩnh vực giao thông, ĐCĐT là bộ phận quan trọng nhất giúp vận hành các loại xe như ô tô, xe máy, xe buýt và xe tải. Trên biển, các tàu thủy lớn sử dụng động cơ diesel nhờ sức mạnh và khả năng hoạt động bền bỉ. Trong ngành đường sắt, đầu máy xe lửa diesel-điện là lựa chọn phổ biến tại nhiều quốc gia. Với ngành hàng không, động cơ đốt trong cũng góp mặt dưới dạng động cơ piston trên máy bay cỡ nhỏ và động cơ phản lực trên máy bay thương mại.

Không chỉ trong giao thông, ĐCĐT còn là lực đẩy cho nhiều loại máy móc công nghiệp và nông nghiệp. Những thiết bị như máy phát điện, máy cày, máy kéo, máy gặt, máy xúc, máy ủi, xe nâng hàng... đều sử dụng động cơ đốt trong để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy. Ngoài ra, trong sinh hoạt và dân dụng, các thiết bị như máy bơm nước, máy cắt cỏ, máy cưa cầm tay cũng vận hành dựa trên loại động cơ này.

Với khả năng thích ứng cao, công suất mạnh và chi phí vận hành hợp lý, động cơ đốt trong vẫn là lựa chọn ưu tiên trong nhiều lĩnh vực, mặc dù công nghệ động cơ điện và hybrid đang ngày càng phát triển.

Động cơ nhiệt được ứng dụng trong ô tô (Nguồn: Internet)

Hiện nay, các nhà sản xuất ô tô trên thế giới đã trang bị động cơ đốt trong cho các dòng xe của mình nhờ những ưu điểm nổi bật của loại động cơ này. Trong đó, một số mẫu xe Toyota hiện nay được trang bị hệ thống Toyota Hybrid (THS). Hệ thống này được tạo nên bởi sự kết hợp giữa động cơ đốt trong hiệu suất cao và mô tơ điện công suất lớn. Chính đặc điểm này giúp người dùng có thể lựa chọn nguồn năng lượng phù hợp khi vận hành, cho xe hoạt động mạnh mẽ mà vẫn tiết kiệm nhiên liệu, bảo vệ môi trường. 

Khách hàng hiện quan tâm tới các dòng xe Toyota có thể đăng ký lái thử để có cơ hội trải nghiệm các dòng xe với nhiều năng tiện lợi và hiện đại. Để biết thêm chi tiết, quý khách có thể liên hệ với Toyota qua:

• Tổng đài tư vấn: 1800 1524 - 0916 001 524 
• Email chăm sóc khách hàng: [email protected]

Khám phá thêm về Toyota tại:

Facebook | Youtube | Instagram