Động cơ xăng 4 kỳ 4 xilanh thì Hệ thống đánh lửa có máy bugi

Muốn hỗn hợp không khí và nhiên liệu được đốt cháy tối đa, hệ thống đánh lửa điện tử cần phải hoạt động hiệu quả và đúng thời điểm. Tuy nhiên, hệ thống này vẫn có thể gặp một số hư hỏng sau thời gian dài sử dụng.

Hệ thống đánh lửa điện tử là gì?

Hệ thống đánh lửa điện tử (hệ thống đánh lửa điện dung) đóng vai trò quan trọng trong việc xác định thời điểm, thực hiện quá trình đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và không khí, kích hoạt động cơ ô tô. Thời điểm đánh lửa được tính toán chuẩn xác bởi ECU dựa trên tín hiệu nhận được từ các cảm biến.

Hệ thống đánh lửa điện tử là kết quả của sự nghiên cứu và cải tiến về công nghệ nên sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội hơn so với hệ thống đánh lửa tiếp điểm thế hệ trước. Đồng thời, hệ thống này còn được đánh giá cao về khả năng tiết kiệm nhiên liệu, phát thải thấp, hoạt động mạnh mẽ và ổn định ở cường độ cao mà không cần điều chỉnh tần số điện. 

Hệ thống đánh lửa điện tử không hoạt động độc lập mà phối hợp với nhiều hệ thống khác trên động cơ ô tô như hệ thống nhiên liệu, khí thải, hệ thống làm mát... Mọi quá trình diễn ra tại các hệ thống này đều được điều khiển bởi một ECU (đơn vị điều khiển điện tử). Trong đó, nhiệm vụ chính của hệ thống đánh lửa là đốt cháy nhiên liệu và kiểm soát thời điểm đánh lửa sao cho chuẩn xác nhất. 

Khi tốc độ tăng, do lực quán tính, piston đi qua điểm chuẩn nhanh hơn trong các kỳ. Nếu hoạt động đánh lửa để đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu - không khí diễn ra quá muộn, động cơ sẽ không thể đạt tốc độ như mong muốn ngay lúc này. Vì lý do đó, tia lửa phải được bắt đầu sớm hơn vài mili giây, đảm bảo thời điểm đánh lửa không bị chậm trễ, quá trình đốt cháy nhiên liệu diễn ra vừa kịp để cung cấp đủ năng lượng giúp việc tăng tốc trở nên thuận lợi. 

>>> Tìm hiểu thêm: Phun xăng điện tử là gì: Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và tác dụng

Cấu tạo của hệ thống đánh lửa điện tử

Hệ thống đánh lửa điện tử được cấu thành từ rất nhiều chi tiết, bộ phận. Mỗi bộ phận lại đóng vai trò riêng biệt nhưng vẫn có sự liên kết chặt chẽ nhằm tạo ra nguồn năng lượng để xe vận hành:

Nguồn điện, pin: Đây là nguồn cung cấp dòng điện một chiều có điện áp thấp (từ 12 - 14,2V) cho hệ thống.

Cuộn dây đánh lửa: Bằng cách sử dụng cảm ứng điện từ, các cuộn dây đánh lửa sẽ chuyển dòng điện 12V thành vài nghìn Vôn (V) để tạo ra tia lửa đủ mạnh, có thể bắn qua khe hở của bugi.

Công tắc đánh lửa: Dùng để điều chỉnh việc bật và tắt hệ thống đánh lửa.

Mô-đun đánh lửa hoặc bộ điều khiển: Các bộ phận này được lập trình để thực hiện chức năng giám sát, kiểm soát thời gian, cường độ của tia lửa điện một cách tự động.

Cảm biến: Phát hiện sự thay đổi của các  thông số trong bộ nguồn. Số lượng cảm biến của hệ thống đánh lửa điện tử nhiều hay ít phụ thuộc vào kiểu xe. 

Phần ứng: Bộ phận này bao gồm điện trở có bánh răng (phần quay), ống hút chân không phía trước và cuộn dây nạp (để bắt tín hiệu điện áp). Mô-đun đánh lửa nhận tín hiệu điện áp từ phần ứng theo thứ tự để thực hiện quá trình tạo và ngắt mạch một cách chuẩn xác nhằm phân phối dòng điện đến các bugi.

Nhóm tiếp điểm: Các chi tiết này sẽ được đóng, mở bằng chìa khóa. Ở một số dòng xe hiện đại hơn, nhóm tiếp điểm sẽ có nút bấm.

Bugi: Là bộ phận cuối cùng của hệ thống đánh lửa điện tử, bugi có chức năng phát ra tia lửa nhằm đốt cháy hỗn hợp không khí và nhiên liệu, giúp động cơ hoạt động.

Nguyên lý hoạt động của hệ thống đánh lửa điện tử

Khi người điều khiển khởi động xe, cơ chế đánh tia lửa điện được kích hoạt. Theo đó, dòng điện bắt đầu chạy từ ắc quy qua công tắc đánh lửa đến cuộn sơ cấp. Lúc này, cuộn dây nạp phần ứng sẽ được kích hoạt để nhận và gửi tín hiệu điện áp từ phần ứng tới mô-đun đánh lửa.

Bánh răng của điện trở tiếp xúc với cuộn dây nạp, tín hiệu điện áp từ cuộn dây nạp sẽ được gửi đến mô-đun điện tử. Sau khi tiếp nhận thông tin, nguồn điện cung cấp cho cuộn sơ cấp bị ngắn mạch và dừng đột ngột.

Tiếp đó, khi bánh răng của điện trở không còn tiếp xúc với cuộn dây nạp, dòng điện tiếp tục được truyền đến các bộ phận thuộc hệ thống đánh lửa điện tử.

Sự ngắt và tạo dòng điện liên tục như vậy sẽ gây nên hiện tượng cảm ứng điện từ, trong cuộn thứ cấp có thể xuất hiện điện áp cao tới hàng nghìn Vôn.

Nguồn điện áp cao này sẽ được gửi đến những bộ phận phân phối khác, nơi có rôto quay và các tiếp điểm, từ cuộn dây đến bugi. Khi điện áp có sự chênh lệch, tia lửa điện sẽ được tạo ra ở đầu bugi, bắt đầu quá trình đốt cháy nhiên liệu.

Phân loại hệ thống đánh lửa điện tử

Phân loại hệ thống đánh lửa điện tử chủ yếu dựa trên cơ chế đánh lửa. Theo đó, hệ thống đánh lửa được chia thành 2 loại là đánh lửa trực tiếp và đánh lửa điện tử phân phối.

Hệ thống đánh lửa trực tiếp

Các thành phần chính của các hệ thống đánh lửa trực tiếp bao gồm một cuộn dây, một vòng điện trở trục khuỷu, một cảm biến từ tính, một mô-đun đánh lửa và một mô-đun điều khiển điện tử. Ở hệ thống đánh lửa trực tiếp, các xung điện áp cao xuất hiện ngay tại các cuộn dây nằm trên đầu bugi.

Hệ thống đánh lửa điện tử phân phối

Là hệ thống đánh lửa dựa trên hoạt động của bộ phận phân phối đánh lửa, sử dụng để dẫn dòng điện cao thế tạo ra từ cuộn thứ cấp đến các bugi đánh lửa theo đúng thứ tự với khoảng thời gian chính xác.

Các hư hỏng thường gặp ở hệ thống đánh lửa điện tử

Cùng với sự phát triển của công nghệ, hệ thống đánh lửa điện tử đã ngày càng được cải tiến nhằm phù hợp với nhiều dòng xe hiện đại, mang lại hiệu suất hoạt động cao hơn. Tuy nhiên, trong quá trình sử dụng sẽ khó tránh khỏi một số hư hỏng thường gặp.

Dấu hiệu nhận biết hư hỏng trên hệ thống đánh lửa điện tử

- Tiêu hao nhiên liệu nhiều bất thường.

- Động cơ phản ứng chậm khi nhấn bàn đạp ga.

- Hiệu suất của bộ nguồn giảm.

- Tốc độ động cơ không ổn định hoặc thường dừng ở chế độ không tải.

- Động cơ khởi động chậm.

- Tia lửa có màu vàng và yếu do nhiên liệu không được đốt cháy hoàn toàn.

Một số lỗi thường gặp ở hệ thống đánh lửa điện tử

Khi phát hiện xe hơi có những biểu hiện bất thường trên chứng tỏ hệ thống đánh lửa đã gặp vấn đề.

- Bugi ngừng hoạt động nên không thể tạo ra tia lửa điện để khởi động động cơ.

- Đứt dây quấn trong cuộn dây do sử dụng trong thời gian lâu dài hoặc chất lượng dây kém.

- Oxy hóa các tiếp điểm, lỗi này thường gặp ở những loại xe lưu thông thường xuyên trên các cung đường bị ngập nước.

>>> Tìm hiểu thêm: Có nên thay tất cả cuộn dây đánh lửa trong động cơ ô tô cùng lúc?

Nguyên nhân hệ thống đánh lửa điện tử bị lỗi

Có rất nhiều lý do khiến hệ thống đánh lửa điện tử bị lỗi, tuy nhiên chủ yếu vẫn là các nguyên nhân sau đây:

- Không thường xuyên vệ sinh, bảo dưỡng ô tô khiến một số thiết bị trong hệ thống đánh lửa bị hư hỏng, mòn, gỉ sét.

- Sử dụng linh phụ kiện không phù hợp với dòng xe.

- Ảnh hưởng bởi điều kiện vận hành hoặc việc bảo quản xe trong môi trường độ ẩm cao.

Hệ thống đánh lửa điện tử đóng vai trò quan trọng trong quá trình khởi động và thay đổi tốc độ của động cơ ô tô. Do đó, để đảm bảo mỗi chuyến đi đều diễn ra thuận lợi, chủ xe cần chú trọng hơn trong việc bảo dưỡng phương tiện, kịp thời phát hiện những hư hỏng của hệ thống và tìm phương án xử lý thích hợp. Trung tâm bảo dưỡng VinFast luôn sẵn sàng phục vụ với sự tận tình, chu đáo nhất khi khách hàng có nhu cầu chăm sóc ô tô.

Tham khảo thông tin, đăng ký lái thử và đặt mua các dòng xe ô tô của VinFast như VinFast Fadil, VinFast Lux A2.0, VinFast Lux SA2.0, VinFast President và VinFast VF e34 hoặc gọi điện đến hotline 1900 232389 để được hướng dẫn chi tiết.

Động cơ 4 kì không còn xa lạ với chúng ta nhưng để biết tổng quan về nó thì chưa chắc các bạn đã biết được. Bài viết này, Sinhvienoto.com chia sẻ tới bạn những thông tin cơ bản của động cơ 4 kỳ.

Nguyên lí hoạt động của động cơ 4 kì

Động cơ 4 kì (hay động cơ 4 thì) là một động cơ đốt trong (ICE), trong đó piston (pít-tông) hoàn thành 4 chu kì riêng biệt trong khi trục khuỷu quay. Hành trình này miêu tả chu kì vận hành của pít-tông dọc theo cylinder (xi-lanh), theo cả hai hướng. Bốn chu kì riêng biệt bao gồm:

1. Kì nạp: Còn được gọi là kì hút. Hành trình này của pít-tông bắt đầu ở tâm điểm chết trên (ĐCT) và kết thúc ở tâm điểm chết dưới (ĐCD). Trong hành trình này, van nạp ở vị trí mở trong khi pít-tông kéo hỗn hợp hoà khí (hỗn hợp xăng ở dạng hơi và không khí) vào xi-lanh bằng cách tạo ra áp suất chân không trong xi-lanh thông qua chuyển động đi xuống của nó. Pít-tông đang chuyển động xuống khi không khí được hút vào bởi chuyển động đi xuống so với pít-tông.
2. Kì nén: Hành trình này bắt đầu ở ĐCD, hoặc ngay khi kết thúc hành trình hút và kết thúc ở ĐCT. Trong hành trình này, pít-tông nén hỗn hợp hòa khí để chuẩn bị đánh lửa trong kì nổ (bên dưới). Cả van nạp và van xả đều đóng trong giai đoạn này.
3. Kì nổ: Còn được gọi là kì đốt hoặc đánh lửa. Đây là sự khởi đầu của vòng quay thứ hai của động cơ 4 kỳ. Tại thời điểm này, trục khuỷu đã hoàn thành một vòng quay 360o đầy đủ. Trong khi pít-tông ở ĐCT (cuối hành trình nén), hỗn hợp khí nén/ nhiên liệu được đánh lửa bằng bugi (trong động cơ xăng) hoặc bằng nhiệt sinh ra bởi độ nén cao (trong động cơ diesel), đẩy pít-tông xuống ĐCD. Hành trình này tạo ra công cơ học từ động cơ để làm quay trục khuỷu.
4. Kì xả: Còn được gọi là kì thải. Trong quá trình xả , một lần nữa, pít-tông sẽ quay trở lại từ ĐCD đến ĐCT trong khi van xả mở. Hành động này đẩy hỗn hợp không khí/ nhiên liệu đã được đốt cháy qua van xả.

Bốn kì Nạp, Nén, Nổ, Xả được hoàn tất và động cơ lại tiếp tục chu trình mới.

Lịch sử hình thành động cơ 4 kỳ

Chu trình Otto

Nicolaus August Otto là một nhân viên bán hàng lưu động cho một người buôn hàng tạp hóa. Trong chuyến du lịch của mình, anh đã bắt gặp động cơ đốt trong tại Paris do Jean Joseph Etienne Lenoir, người Bỉ chế tạo.

Năm 1860, Lenoir đã chế tạo thành công động cơ tác dụng kép chạy bằng khí đốt với hiệu suất 4%. Động cơ Lenoir 18 lít chỉ sản sinh công suất 2 mã lực. Động cơ Lenoir chạy bằng khí đốt làm từ than đá, được phát triển bởi Philip Lebon ở Paris.

Trong quá trình thử nghiệm một bản sao của động cơ Lenoir vào năm 1861, Otto nhận thức được tác động của lực nén đối với lượng nhiên liệu. Năm 1862, Otto đã cố gắng sản xuất một động cơ để cải thiện hiệu suất và độ ổn định kém của động cơ Lenoir.

Ông đã cố gắng tạo ra một động cơ có thể nén hỗn hợp nhiên liệu trước khi đánh lửa, nhưng không thành công vì động cơ đó chạy không quá được vài phút trước khi bị phá hủy.

Năm 1864, Otto và Eugen Langen thành lập công ty sản xuất động cơ đốt trong đầu tiên, NA Otto và Cie (NA Otto và Company). Otto và Cie đã thành công trong việc tạo ra một động cơ khí trong cùng năm đó.

Đến năm 1876, Otto và Langen đã thành công trong việc tạo ra động cơ đốt trong đầu tiên nén hỗn hợp nhiên liệu trước khi đốt để có hiệu suất cao hơn nhiều so với bất kỳ động cơ nào được tạo ra trong cùng thời điểm đó.

Vào năm 1883, Gottlieb Daimler là giám đốc kỹ thuật và Wilhelm Maybach là trưởng bộ phận thiết kế động cơ. Cả 2 nghỉ việc tại Otto và Cie và phát triển động cơ Otto tốc độ cao đầu tiên.

Năm 1885, họ sản xuất chiếc xe đầu tiên được trang bị động cơ Otto. Chiếc Daimler Reitwagen sử dụng hệ thống đánh lửa ống nóng và nhiên liệu được gọi là Ligroin để trở thành chiếc xe hai bánh đầu tiên trên thế giới chạy bằng động cơ đốt trong. Nó sử dụng động cơ 4 kì dựa trên thiết kế của Otto.

Năm sau, Karl Benz (kỹ sư cơ khí người Đức) sản xuất một chiếc ô tô được lắp động cơ 4 kì, nó được coi là chiếc ô tô đầu tiên.

Năm 1884, công ty của Otto, khi đó được gọi là Gasmotorenfabrik Deutz (GFD), đã phát triển hệ thống đánh lửa điện và bộ chế hòa khí. Năm 1890, Daimler và Maybach thành lập công ty có tên Daimler Motoren Gesellschaft. Ngày nay, công ty đó là Daimler-Benz.

Chu trình Atkinson

Động cơ chu trình Atkinson là một loại động cơ đốt trong thì đơn do James Atkinson phát minh vào năm 1882. Chu trình Atkinson được thiết kế để cung cấp hiệu quả với chi phí của mật độ công suất và được sử dụng trong một số mẫu ứng dụng điện lai hiện đại.

Động cơ pít-tông của chu trình Atkinson ban đầu cho phép các hành trình nạp, nén, nổ và xả của chu trình 4 kỳ diễn ra trong một lần quay của trục khuỷu và được thiết kế để tránh vi phạm một số bằng sáng chế về động cơ chu trình Otto.

Do thiết kế trục khuỷu độc đáo của Atkinson, tỷ số giãn nở của nó có thể khác với tỷ số nén và với hành trình công suất dài hơn hành trình nén, động cơ có thể đạt được hiệu suất nhiệt lớn hơn động cơ pít-tông truyền thống.

Trong khi thiết kế ban đầu của Atkinson không chỉ là một sự tò mò về lịch sử, nhiều động cơ hiện đại sử dụng thời gian van độc đáo để tạo ra hiệu ứng hành trình nén ngắn hơn / hành trình nổ dài hơn, do đó tạo ra những cải thiện tiết kiệm nhiên liệu mà chu trình Atkinson có thể cung cấp.

Chu trình diesel

Động cơ diesel là sự cải tiến kỹ thuật của động cơ chu trình Otto năm 1876. Vào năm 1861, Otto đã nhận ra rằng hiệu suất của động cơ có thể tăng lên bằng cách nén hỗn hợp nhiên liệu trước khi đánh lửa, và Rudolf Diesel muốn phát triển một loại động cơ hiệu quả hơn có thể chạy bằng nhiên liệu nặng hơn nhiều.

Các động cơ Lenoir, Otto Atmospheric và Otto Compression (cả 1861 và 1876) được thiết kế để chạy bằng Khí thắp sáng (khí than). Với động lực tương tự như Otto, Diesel muốn tạo ra một động cơ có thể cung cấp cho các công ty công nghiệp nhỏ nguồn năng lượng của riêng họ để giúp họ cạnh tranh với các công ty lớn hơn, và giống như Otto, để thoát khỏi yêu cầu ràng buộc với nguồn cung cấp nhiên liệu đô thị.

Giống như Otto, phải mất hơn một thập kỷ để sản xuất động cơ có độ nén cao có thể tự đốt cháy nhiên liệu phun vào xi-lanh. Diesel đã sử dụng bình phun khí kết hợp với nhiên liệu trong động cơ đầu tiên của mình.

Trong quá trình phát triển ban đầu, một trong các động cơ đã bị nổ tung, gần như giết chết Diesel. Ông đã kiên trì, và cuối cùng đã tạo ra một động cơ thành công vào năm 1893. Động cơ có độ nén cao đốt cháy nhiên liệu bằng nhiệt nén, ngày nay được gọi là động cơ diesel, dù là thiết kế 4 kỳ hay 2 kỳ.

Động cơ diesel 4 kỳ đã được sử dụng trong phần lớn các ứng dụng hạng nặng trong nhiều thập kỷ. Nó sử dụng nhiên liệu nặng chứa nhiều năng lượng hơn và cần ít sự tinh chế để sản xuất. Động cơ chu trình Otto hiệu quả nhất chạy với hiệu suất nhiệt gần 30%.

Phân tích nhiệt động lực học

Việc phân tích nhiệt động lực học của chu trình 4 thì và 2 thì thực tế không phải là một công việc đơn giản. Tuy nhiên, việc phân tích có thể được đơn giản hóa đáng kể nếu sử dụng các giả định về tiêu chuẩn không khí. Kết quả của chu trình khi đó sẽ gần giống với các điều kiện vận hành thực tế, là chu trình Otto.

Trong quá trình hoạt động bình thường của động cơ, khi hỗn hợp không khí / nhiên liệu đang được nén, một tia lửa điện được tạo ra để đốt cháy hỗn hợp.

Ở vòng tua thấp, điều này xảy ra gần với ĐCT. Khi vòng tua động cơ tăng, tốc độ của ngọn lửa phía trước không thay đổi vì vậy điểm đánh lửa được nâng cao sớm hơn trong chu kỳ để tạo tỷ lệ lớn hơn cho chu kỳ để điện tích cháy trước khi bắt đầu kì nổ.

Ưu điểm này được phản ánh trong các thiết kế động cơ Otto khác nhau; động cơ không khí (không nén) hoạt động với hiệu suất 12% trong khi động cơ nạp nén có hiệu suất hoạt động khoảng 30%.

Sự tiêu thụ nhiên liệu

Một vấn đề với động cơ nạp nén là sự tăng nhiệt độ của điện tích nén có thể gây ra hiện tượng đánh lửa trước. Nếu điều này xảy ra không đúng thời điểm và quá mãnh liệt, nó có thể làm hỏng động cơ. Các phần khác nhau của dầu mỏ có điểm chớp cháy rất khác nhau (nhiệt độ mà nhiên liệu có thể tự bốc cháy). Điều này phải được tính đến trong thiết kế động cơ và nhiên liệu.

Khuynh hướng để hỗn hợp nhiên liệu nén bắt lửa sớm bị hạn chế bởi thành phần hóa học của nhiên liệu. Có một số loại nhiên liệu để phù hợp với các mức hiệu suất khác nhau của động cơ. Nhiên liệu được biến đổi để thay đổi nhiệt độ tự bốc cháy của nó.

Có nhiều hướng khác nhau để làm điều đó. Khi động cơ được thiết kế với tỷ số nén cao hơn, kết quả là hiện tượng đánh lửa sớm dễ xảy ra hơn nhiều vì hỗn hợp nhiên liệu được nén đến nhiệt độ cao nhanh hơn trước khi đánh lửa có chủ ý.

Nhiệt độ cao hơn làm nhiên liệu bốc hơi hiệu quả hơn như xăng, làm tăng hiệu suất của động cơ nén. Tỷ số nén cao hơn cũng có nghĩa là khoảng cách mà pít-tông có thể đẩy để tạo ra công suất lớn hơn (được gọi là tỷ số giãn nở).

Chỉ số Octan của một loại nhiên liệu nhất định là thước đo khả năng tự bốc cháy của nhiên liệu. Nhiên liệu có chỉ số octan cao hơn cho phép tỷ số nén cao hơn, giúp chiết xuất nhiều năng lượng hơn từ nhiên liệu và chuyển năng lượng đó thành công hữu ích hơn đồng thời ngăn ngừa hư hỏng động cơ do đánh lửa sớm. Do đó, nhiên liệu có chỉ số Octan cao cũng đắt hơn.

Nhiều động cơ 4 thì hiện đại sử dụng hệ thống phun xăng trực tiếp hoặc GDI – Gasoline Direct Injection. Trong động cơ phun xăng trực tiếp, đầu phun của kim phun nhô vào trong buồng đốt. Kim phun nhiên liệu trực tiếp phun xăng dưới áp suất rất cao vào xi-lanh trong suốt hành trình nén, khi pít-tông lên đến gần đỉnh hơn.

Về bản chất, động cơ diesel không có vấn đề về đánh lửa sớm. Mà chúng được quan tâm đến việc liệu quá trình đốt cháy có thể hoạt động được hay không. Để mô tả về khả năng đốt cháy nhiên liệu Diesel, chúng ta có chỉ số được gọi là Cetane.

Vì nhiên liệu Diesel có độ bay hơi thấp, chúng có thể rất khó khởi động khi động cơ ở trạng thái nguội. Các kỹ thuật khác nhau được sử dụng để khởi động động cơ Diesel nguội, phổ biến nhất là sử dụng bugi sấy nóng.

Nguyên tắc kỹ thuật và thiết kế

Giới hạn công suất đầu ra

Lượng công suất tối đa được tạo ra bởi một động cơ được xác định bằng lượng không khí nạp vào tối đa. Lượng công suất được tạo ra bởi động cơ piston có liên quan đến kích thước của nó (tức thể tích xi lanh), cho dù đó là động cơ hai thì hay động cơ 4 kỳ, hiệu suất thể tích, tổn thất, tỷ lệ không khí/ nhiên liệu, năng suất tỏa nhiệt của nhiên liệu, hàm lượng oxy trong không khí và tốc độ (RPM). Thì tốc độ cuối cùng bị giới hạn bởi sức bền vật liệu và khả năng bôi trơn; cùng với các van, pít-tông và thanh truyền chịu lực gia tốc nghiêm trọng.

Ở tốc độ động cơ cao, có thể xảy ra hiện tượng vỡ kết cấu và rung bạc xéc măng, dẫn đến mất công suất hoặc thậm chí phá hủy động cơ. Hiện tượng rung bạc xéc măng xảy ra khi các vòng bạc dao động theo phương thẳng đứng bên trong rãnh pít-tông mà chúng nằm trong đó.

Sự rung bạc xéc măng làm ảnh hưởng đến vòng đệm giữa bạc xéc măng và thành xi-lanh, gây mất áp suất và công suất xi-lanh. Nếu động cơ quay quá nhanh, lò xo xupap không thể hoạt động đủ nhanh để đóng van. Điều này thường được gọi là ‘phao van’, và nó có thể dẫn đến đụng chạm giữa pít-tông với van, làm hỏng động cơ nghiêm trọng.

Lưu lượng cổng nạp / xả

Công suất đầu ra của động cơ phụ thuộc vào khả năng hút khí nạp (hỗn hợp không khí – nhiên liệu) và khí thải di chuyển nhanh qua các cổng van, thường nằm ở đầu xi lanh.

Để tăng công suất đầu ra của động cơ, có thể loại bỏ các bất thường trong đường dẫn khí nạp và khí thải, chẳng hạn như lỗi khuôn đúc, và với sự hỗ trợ của bộ lưu lượng khí, bán kính của các đường rẽ cổng van và cấu hình chân van có thể được sửa đổi để giảm sức cản.

Quá trình này được gọi là làm thông và nó có thể được thực hiện bằng tay hoặc bằng máy CNC.

Thu hồi nhiệt thải của động cơ đốt trong

Trung bình một động cơ đốt trong 4 kỳ chỉ có khả năng biến 40-45% năng lượng cung cấp thành công cơ học. Một phần lớn năng lượng thải ở dạng nhiệt được thải ra môi trường thông qua nước làm mát, cánh tản nhiệt, v.v… Nếu chúng ta có thể thu hồi nhiệt thải bằng cách nào đó, chúng ta có thể cải thiện hiệu suất của động cơ.

Người ta nhận thấy rằng ngay cả khi thu hồi được 6% nhiệt lượng hoàn toàn lãng phí, nó có thể làm tăng hiệu suất động cơ lên rất nhiều.

Nhiều phương pháp đã được đưa ra để tách nhiệt thải ra khỏi khí thải của động cơ và sử dụng nó để đẩy mạnh quá trình nén giúp cho một số công việc hữu ích, đồng thời làm giảm các chất ô nhiễm khí thải. Sử dụng Chu trình Rankine, sự hình thành nhiệt điện và tăng áp có thể rất hữu ích như một hệ thống thu hồi nhiệt thải.

Sự tăng nạp

Một cách để tăng công suất động cơ là đẩy nhiều không khí hơn vào xi-lanh để có thể tạo ra nhiều công suất hơn từ mỗi hành trình sinh công. Điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng một số loại thiết bị nén không khí được gọi là bộ siêu nạp, có thể được cung cấp năng lượng từ trục khuỷu động cơ.

Tăng nạp làm tăng giới hạn công suất của động cơ đốt trong so với lượng dịch chuyển của nó. Trong các trường hợp phổ biến, bộ siêu nạp luôn hoạt động, nhưng cũng đã có những thiết kế cho phép nó được ngắt dòng hoặc chạy ở các tốc độ khác nhau (liên quan đến tốc độ động cơ).

Tăng nạp điều khiển bằng cơ học có nhược điểm là một số công suất đầu ra được sử dụng để dẫn động bộ tăng áp, trong khi công suất bị lãng phí trong ống xả áp suất cao vì không khí đã được nén hai lần và sau đó tăng thể tích trong quá trình đốt cháy nhưng nó chỉ được mở rộng trong một giai đoạn.

Bộ tăng áp

Bộ tăng áp là một bộ tăng nạp được dẫn động bởi khí thải của động cơ, nhờ tuabin. Một bộ tăng áp được kết hợp vào hệ thống xả của xe để tận dụng khí thải đã được thải ra ngoài. Nó bao gồm một cụm tuabin hai bộ phận, cụm tuabin tốc độ cao với một bên nén khí nạp và bộ phận còn lại là ống cung cấp năng lượng bởi dòng khí thải.

Khi chạy không tải, và ở tốc độ thấp đến trung bình, tuabin tạo ra ít công suất với ​​thể tích khí thải nhỏ, bộ tăng áp có ít tác dụng và động cơ hoạt động gần như hút khí tự nhiên. Khi cần nhiều công suất hơn, tốc độ động cơ và độ mở bướm ga được tăng lên cho đến khi lượng khí xả đủ để ‘đẩy’ tuabin của bộ tăng áp bắt đầu nén nhiều không khí hơn bình thường vào ống nạp. Do đó, năng lượng bổ sung (và tốc độ) được loại bỏ thông qua chức năng này của tuabin.

Tăng áp cho phép động cơ hoạt động hiệu quả hơn vì nó được thúc đẩy bởi áp suất khí thải mà nếu không sẽ bị lãng phí (hầu hết), nhưng có một giới hạn thiết kế được gọi là độ trễ tăng áp. Công suất động cơ tăng lên không có sẵn ngay lập tức do cần phải tăng mạnh RPM của động cơ, để tạo áp suất và tăng tốc độ quay của tuabin, trước khi turbo bắt đầu thực hiện bất kỳ quá trình nén khí hữu ích nào. Lượng khí nạp tăng lên làm tăng lượng khí thải và làm tuabin quay nhanh hơn và cứ như vậy cho đến khi đạt được hoạt động công suất cao ổn định. Một khó khăn khác là áp suất khí thải cao hơn làm cho khí thải truyền nhiều nhiệt hơn đến các bộ phận của động cơ.

Tỷ lệ thanh truyền và piston trên hành trình

Tỷ số thanh truyền là tỷ số giữa chiều dài của thanh truyền với chiều dài của hành trình pít-tông. Một tay đòn dài hơn giúp giảm áp suất nghiêng của pít-tông lên thành xi-lanh và lực ứng suất, tăng tuổi thọ động cơ. Tuy nhiên, nó cũng làm tăng chi phí và chiều cao và trọng lượng động cơ.

“Động cơ vuông” là động cơ có đường kính xi-lanh bằng chiều dài hành trình của nó. Một động cơ mà đường kính xi-lanh lớn hơn chiều dài hành trình của nó là động cơ hành trình ngắn (oversquare engine), ngược lại, động cơ có đường kính xi-lanh nhỏ hơn chiều dài hành trình của nó là động cơ hành trình dài (undersquare engine).

Bộ truyền động xupap

Các van xupap thường được vận hành bởi một trục cam quay với tốc độ bằng một nửa tốc độ của trục khuỷu. Nó có một loạt các cam dọc theo chiều dài của nó, mỗi cam được thiết kế để mở một van xupap trong điều kiện tương ứng của hành trình nạp hoặc xả.

Một chỗ nối giữa van xupap và cam là bề mặt tiếp xúc trên đó cam trượt để mở van. Nhiều động cơ sử dụng một hoặc nhiều trục cam “phía trên” một hàng (hoặc mỗi hàng) xi-lanh, như trong hình minh họa, trong đó mỗi cam tác động trực tiếp đến một van xupap thông qua một con đội đáy phẳng.

Trong các thiết kế động cơ khác, trục cam nằm trong cacte, trong trường hợp này, mỗi cam thường tiếp xúc với thanh đẩy, thanh này tiếp xúc với cánh tay đòn để mở van, hoặc trong trường hợp động cơ đầu phẳng thì không cần thanh đẩy cần xupap. Thiết kế cam trên thường cho phép tốc độ động cơ cao hơn vì nó tác động trực tiếp giữa cam và xupap.

Khe hở xupap

Khe hở xupap là khoảng trống nhỏ giữa con đội xupap và thân xupap để đảm bảo rằng van xupap được đóng hoàn toàn. Trên động cơ có điều chỉnh van cơ, khe hở xupap lớn quá mức gây ra tiếng ồn từ bộ truyền động xupap. Khe hở xupap quá nhỏ có thể dẫn đến van không đóng đúng cách. Điều này dẫn đến giảm hiệu suất và có thể quá nhiệt ở van xupap xả. Thông thường, khe hở xupap phải được điều chỉnh mỗi 32.000 km với một bộ thước lá.

Hầu hết các động cơ sản xuất ngày nay sử dụng con đội thủy lực để tự động điều chỉnh cho sự hao mòn của khe hở xupap. Dầu động cơ bẩn có thể gây hỏng con đội.

Cân bằng năng lượng

Động cơ Otto có hiệu suất khoảng 30%; nói cách khác, 30% năng lượng sinh ra từ quá trình đốt cháy được chuyển thành năng lượng quay hữu ích tại trục đầu ra của động cơ, trong khi phần còn lại là tổn thất do nhiệt thải, ma sát và các phụ kiện động cơ.

Có một số cách để thu hồi một phần năng lượng bị mất thành nhiệt thải. Việc sử dụng bộ tăng áp trong động cơ diesel rất hiệu quả bằng cách tăng áp suất không khí vào và trên thực tế, hiệu suất tăng tương tự khi có nhiều dung tích hơn.

Công ty Mack Truck cách đây nhiều thập kỷ, đã phát triển một hệ thống tuabin chuyển đổi nhiệt thải thành động năng đưa trở lại hệ truyền động của động cơ. Năm 2005, BMW công bố phát triển tuabin hơi, một hệ thống thu hồi nhiệt hai giai đoạn tương tự như hệ thống Mack, thu hồi 80% năng lượng trong khí thải và tăng 15% hiệu suất của động cơ Otto. Ngược lại, động cơ sáu kỳ có thể giảm mức tiêu thụ nhiên liệu tới 40%.

Các động cơ hiện đại thường được cố ý chế tạo để có hiệu suất kém hơn một chút so với những gì chúng có thể sinh ra. Điều này là cần thiết cho việc kiểm soát khí thải như tuần hoàn khí thải và bộ chuyển đổi xúc tác giúp giảm khói bụi và các chất ô nhiễm khí quyển khác. Việc giảm hiệu quả có thể bị trung hòa bằng một bộ điều khiển động cơ sử dụng kỹ thuật đốt cháy tinh gọn.

Tại Hoa Kỳ, Cơ quan Kinh tế Nhiên liệu Trung bình Doanh nghiệp yêu cầu xe phải đạt mức trung bình 34,9 mpg ‑ US (6,7 L / 100 km; 41,9 mpg ‑ imp) so với tiêu chuẩn hiện tại là 25 mpg ‑ US (9,4 L / 100 km ; 30,0 mpg ‑ lần hiển thị).

Khi các nhà sản xuất ô tô tìm cách đáp ứng các tiêu chuẩn này vào năm 2016, các phương pháp kỹ thuật mới cho động cơ đốt trong truyền thống (ICE) phải được xem xét. Một số giải pháp tiềm năng để tăng hiệu quả sử dụng nhiên liệu nhằm đáp ứng các nhiệm vụ mới bao gồm đốt sau khi pít-tông ở xa trục khuỷu nhất, được gọi là tâm điểm chết trên và áp dụng chu trình Miller. Cùng với đó, thiết kế lại này có thể giảm đáng kể mức tiêu thụ nhiên liệu và lượng khí thải NOx.

Lời kết

Ok. Trên đây là bài chia sẻ về động cơ 4 kì. Hy vọng bài viết này cung cấp những kiến thức hữu ích tới bạn. Nếu có bất kỳ thắc mắc nào thì hãy để lại dưới phần bình luận, chúng tôi sẽ hỗ trợ bạn. Cuối cùng, đừng quên đánh giá 5 sao và Share bài viết để ủng hộ blog Sinh Viên Ô Tô nhé!