Ở bài viết trước chúng tôi đã đề cập đến các loại động cơ với các kiểu bố trí cơ bản, hôm nay chúng ta sẽ cùng tìm hiểu sâu hơn về các đặc điểm, ứng dụng của các loại động cơ phổ biến hiện nay như động cơ bố trí chữ I, V, W, Boxer, Wankel,…
1. Động cơ thẳng hàng – I (Inline Engine)
Là loại động cơ có kiểu bố trí xi lanh đặt đứng và thẳng hàng hay các xi lanh cùng nằm trên một mặt phẳng, cũng là loại động cơ phổ biến nhất trên thị trường được trang bị trên hầu hết các dòng xe phổ thông, bình dân. Đặc điểm của động cơ này chỉ có một hàng xi lanh và thường được trang bị trên hầu hết các xe có động cơ 3,4 hay 6 xi lanh. Bài viết này chúng tôi sẽ lấy ví dụ là mẫu động cơ I4 tức là 4 xi lanh đặt thẳng hàng vì đây là loại phổ biến nhất và bạn có thể tìm thấy một cách dễ dàng.
Ưu điểm:
Cấu tạo nhỏ gọn, có thể phù hợp trên hầu hết các khoang động cơ và tối ưu hóa bố trí các chi tiết khác trong khoang động cơ. Từ đó có thể tối đa hóa khoang hành khách.
Cấu tạo cơ khí đơn giản nhất trong các loại động cơ nên có chi phí sản xuất thấp và đó cũng là lý do chúng được sử dụng nhiều nhất trên hầu hết các dòng xe phổ thông.
Tiết kiệm nhiên liệu, tiết kiệm chi phí sửa chữa, bảo dưỡng, nâng cấp vì giá thành rẻ.
Vì chỉ có 1 hàng xi lanh thẳng đứng nên kích thước hẹp, do đó thường được đặt nằm ngang để tối ưu khoang hành khách.
Nhược điểm:
Dung tích động cơ bị giới hạn, từ đó cho ra công suất không quá cao.
Khả năng vận hành không bền bỉ và êm ái bằng các động cơ khác như V6, I6,…
Trọng tâm cao hơn các bố trí động cơ khác, do đó không phù hợp với các dòng xe thể thao và xe thường bị rung lắc khi ở tốc độ cao.
Việc đặt các xi lanh đứng thẳng hàng làm động cơ này có chiều dài đáng kể và các lực sinh ra khi chuyển động lên xuống của piston tác động không đều lên trục khuỷu làm động cơ rung lắc. Do đó người ta khắc phục bằng cách đặt thêm 1 hệ thống trục cân bằng để triệt tiêu rung lắc.
=>> Tương tự như động cơ I4 thì động cơ I6 cũng có cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ cùng các ưu nhược điểm giống với động cơ I4. Tuy nhiên I6 đã khắc phục được tình trạng rung lắc động cơ nhờ việc tối ưu hóa lại việc bố trí thứ tự kích nổ trong xi lanh. Bên cạnh đó I6 sẽ đi kèm với hạn chế như kích thước lớn hơn I4 nên không còn phù hợp cho các dòng xe dân dụng cỡ nhỏ, đồng thời I6 cũng không còn thích hợp với xe sử dụng hệ dẫn động cầu trước mà hầu hết sẽ dùng cho xe có hệ dẫn động cầu sau.
Ứng dụng:
Với mức độ tiện dụng và giá thành phải chăng thì động cơ I4 được sử dụng rất rộng rãi trên các dòng xe dân dụng cỡ nhỏ mà bạn có thể bắt gặp trên đường một cách dễ dàng, điển hình như: Toyota camry, Toyota Inova, Vinfast Fadil, Honda City,… Ngoài ra, một số hãng xe đã biến động cơ I4 trở nên mạnh mẽ và vượt trội như Mercedes-AMG CLA45/GLA45 với động cơ I4, 2.0L, tăng áp, công suất 375 mã lực; hayVolvo S60/V60 Polestar là một trong những chiếc xe nhanh nhất của Volvo với động cơ I4, 2.0L, tăng áp và siêu nạp cho công suất 362 mã lực; Ford Focus RS, Ford Mustang EcoBoost, Honda Civic Type R, Subaru WRX STI,…
Cùng với đó, động cơ I6 được xem là giải pháp tối ưu và hiệu quả cũng đang được ưa chuộng trên các dòng xe hạng sang như BMW, Mercedes.
2. Động cơ chữ V
Đây là loại động cơ phổ biến thường gặp ở các dòng xe hiệu suất với cách bố trí xi lanh theo kiểu chữ V (2 xi lanh đặt nghiêng hợp với nhau một góc tối ưu, thường là 60o hoặc 90o và một số ít 120o). Có thể hình dung, động cơ V bằng 2 động cơ thẳng hàng gộp lại nhưng đặt theo hướng nghiêng đối đỉnh, sử dụng chung trục khuỷu.
Ưu điểm:
Cấu tạo chữ V cho phép trọng lực phân bố đều sang 2 bên, từ đó giảm thiểu tối đa các rung lắc trong quá trình vận hành.
Với cấu trúc vuông vắn hơn nên động cơ V giúp hạn chế tối đa lực li tâm khi xe vào cua ở tốc độ cao.
Thiết kế linh hoạt và cứng cáp có thể áp dụng trên cả dòng xe dẫn động cầu trước hoặc sau.
Trọng tâm thấp mang lại sự ổn định tốt nhất. Nếu góc mở V càng lớn thì trọng tâm sẽ càng thấp độ ổn định sẽ càng tốt.
Ở động cơ V6 thì xi lanh sẽ được đặt ở 2 hàng, mỗi hàng 3 xi lanh, vậy nên trục khuỷu sẽ ngắn hơn so với động cơ thẳng hàng do kết nối với ít xi lanh hơn, điều này khiến thiết kế phải chắc chắn và không cần đến hệ trục cân bằng để triệt tiêu rung lắc.
Vì có 2 hàng xi lanh nên có thể tăng số lượng xi lanh, đồng nghĩa công sinh ra cũng sẽ được nhiều.
Nhược điểm:
Thiết kế 2 hàng xi lanh bắt buộc động cơ cần có 2 đầu xi lanh (2 nắp quy lát và 2 nắp máy), 2 ống xả, số lượng chi tiết bên trong như cò, xupap,… tăng. Điều này đồng nghĩa chi phí, độ phức tạp và cả trọng lượng cũng sẽ tăng.
Tiêu hao nhiên liệu nhiều hơn, kích thước lớn hơn nên chiếm diện tích trong khoang động cơ hơn. Âm thanh khí xả lớn.
Từ động cơ V8, V10, V12 đòi hỏi sự thiết kế khung chịu lực lớn, trọng lượng tăng, giá thành cao cùng mức tiêu thụ nhiên liệu cũng lớn và chỉ phù hợp với các xe cỡ lớn.
Ứng dụng:
Với những đặc điểm như trên nên động cơ V hầu như chỉ được trang bị trên các dòng xe cao cấp, xe thể thao, có kích thước lớn như: Mercedes Benz, Audi, Nissan, Stellantis, Toyota Camry 2021,…
3. Động cơ W hay động cơ VV (V kép)
Nếu động cơ V có thiết kế với 2 hàng xi lanh thẳng hàng xếp chữ V thì động W có cấu tạo tương tự nhưng với 2 chữ V đặt cạnh nhau, có thể hình dung là W = V + V. Loại động cơ này thường có tới 8; 12; 16 xi lanh và cấu trúc W đơn giản chỉ là cách sắp xếp càng nhiều xi lanh càng tốt và giảm thiếu tối đa kích thước động cơ, đồng thời yêu cầu cách sắp xếp các xi lanh khoa học để giảm thiểu kích thước động cơ. Ta sẽ lấy ví dụ về động cơ W12 để khai thác.
Ưu điểm:
Ưu điểm lớn nhất của loại động cơ này là tạo ra được nhiều momen xoắn hơn so với động cơ V12 do cách bố trí trục khuỷu và xi lanh.
Công suất đầu ra rất cao do được cấu tạo bởi nhiều xi lanh và thể tích mỗi xi lanh lớn.
Được thiết kế trải dài theo chiều rộng nên động cơ W thường ngắn hơn về chiều dài so với động cơ V.
Nhược điểm:
Với công suất sản sinh rất lớn nên âm thanh phát ra cũng rất ồn, và nếu so với V12 thì không tốt hơn.
Thiết kế phức tạp đòi hỏi kỹ thuật cao, chi phí sản xuất đắt đỏ với nhiều bộ phận và chi tiết.
Chi phí bảo dưỡng sửa chữa cũng rất cao kèm theo quá trình sửa chữa khó khăn.
Ứng dụng:
Với cấu tạo phức tạp và chi phí đắt đỏ nên loại động cơ này thường được sử dụng trên các dòng xe như Audi A8L, VW Touareg, Bentley Continental GT, Bugatti và Chiron.
Động cơ V có góc mở nhỏ (hay động cơ VR)
Đây là 1 dạng biến thể của động cơ V và động cơ thẳng hàng nhưng có góc mở nhỏ (chỉ khoảng 15o so với phương thẳng đứng của mỗi xi lanh) nhằm giảm thiểu tối đa kích thước của động cơ. Nó cũng bao gồm 2 dãy xi lanh nhưng đặc biệt là chỉ sử dụng một đầu xi lanh (nắp quy lát) cho cả 2 dãy.
4. Động cơ phẳng hay động cơ nằm ngang – Flat và Boxer
Ở loại động cơ này, xi lanh được đặt nằm ngang trên 1 mặt phẳng, piston cũng sẽ theo phương ngang (sang trái hoặc phải) mà chuyển động thay vì theo chiều dọc (lên xuống như truyền thống). Một nửa số piston sẽ chuyển động theo 1 hướng và nửa còn lại theo hướng ngược lại. Động cơ phẳng này nhìn chung có 2 loại: loại Boxer và loại động cơ chữ V với góc mở 180o (hay còn gọi là Flat). Bản chất 2 loại động cơ này giống nhau chỉ khác nhau ở số lượng trục khuỷu nên cần chú ý khi tìm hiểu, cụ thể động cơ Flat giống như V nên có chung trục khuỷu, còn Boxer thì khác mỗi thanh truyền sẽ gắn với một trục khuỷu.
Ưu điểm:
Hiệu suất cao, trọng tâm thấp, bố trí dễ dàng cho phép xử lý tốt hơn do điều này sẽ giúp kéo tâm trọng lực của xe xuống thấp. Xe sẽ đầm và ổn định hơn.
Lực sơ cấp và thứ cấp cân bằng tốt, do vậy động cơ hoạt động rất trơn tru, điều này giúp giảm trọng lượng trên trục khuỷu và ít mất công suất do quán tính quay.
Động cơ ít rung lắc hơn do xi lanh chuyển động phân bố đều sang 2 bên.
Nhược điểm:
Loại động cơ này khác ít phổ biến trên thị trường nên chúng ta khó có thể bắt gặp.
Giá thành sửa chữa rất cao, số lượng xe sử dụng động cơ này bán ra thấp.
Bảo dưỡng tương đối khó khăn, động cơ có xi lanh phân bổ đều sang 2 bên nên khoang động cơ chật và hẹp. Do đó nó đã từng được sử dụng trên xe công thức 1 vì hiệu suất nó mang lại, nhưng do kích thước của nó cản trở luồng không khí nên không còn được sử dụng nữa.
Bảo dưỡng khó, âm thanh khi động cơ hoạt động lớn, rất ồn nên ít được ưa chuộng.
Ứng dụng:
Với giá thành sản xuất và bán ra rất cao kèm theo sự bất tiện về lắp đặt trong khoang động cơ nhưng mang lại trải nghiệm tốt về khả năng hoạt động nhất là độ đầm, ổn định của xe nên chỉ có các dòng xe thể thao và hãng Subaru và Porsche mới trang bị loại động cơ này. Tuy nhiên số lượng bán ra của các mẫu xe trang bị động cơ này rất ít.
5. Động cơ chữ H
Có thể nói đây là loại động cơ khá dị và phức tạp, nó là sự kết hợp của 2 động cơ phẳng, 2 động cơ phẳng xếp chồng lên nhau theo chiều thẳng đứng, tương ứng là 2 trục khuỷu và được kết nối với nhau ở đuôi để tạo ra một đầu ra. Nếu nhìn thẳng theo đầu trục khuỷu thì nó đúng là có hình chữ H nên được gọi là động cơ chữ H.
Ưu điểm:
Khả năng chia sẻ các bộ phận chung với động cơ phẳng mà nó dựa trên đó và sự cân bằng động cơ tốt giúp ít rung động hơn (điều mà khó đạt được ở nhiều loại động cơ 4 xi lanh khác).
Sản sinh công suất tốt.
Nhược điểm:
Cấu tạo phức tạp, cần thêm một kết cấu truyền động hợp nhất 2 trục khuỷu. Do đó chi phí tăng cao.
Động cơ H tương đối nặng và trọng tâm cao do có 2 trục khuỷu chồng lên nhau và động cơ phải đủ cao để có khoảng trống cho các ống xả.
Sửa chữa, bảo dưỡng phức tạp và khó khăn.
Ứng dụng:
Động cơ chữ H là loại động cơ tương đối hiếm, mục đích sử dụng là động cơ máy bay trong những năm 1930, 1940. Chiếc xe Lotus 43 Formula One năm 1966 sử dụng động cơ H 16 xi lanh và H8 xi lanh được sử dụng cho các cuộc đua xuồng máy vào những năm 1970.
6. Động cơ Wankel
Đây chính là loại động cơ khác biệt nhất so với các loại động cơ còn lại vì nó không dùng piston di chuyển lên xuống hay sang trái phải mà thay vào đó, buồng đốt là hình oval cùng một rotor cánh quạt hình tam giác chuyển động xoay tròn trong nó.
Ưu điểm:
Ưu điểm lớn nhất của động cơ Wankel là tính ổn định cực kỳ cao, do ít chi tiết chuyển động hơn so với các động cơ có piston trụ có sức mạnh tương đương trong khi động cơ 4 kỳ thông thường thì cần ít nhất 40 chi tiết chuyển động.
Việc tối thiểu hóa chi tiết chuyển động giúp động cơ hoạt động rất ổn định, đáng tin cậy hơn. Thậm chí một số hãng máy bay còn muốn sử dụng loại động cơ này.
Kích thước nhỏ, gọn, nhẹ, tỷ lệ công suất/trọng lượng cao.
Vận hành êm ái do chuyển động của toàn bộ thành phần đều chuyển động đều theo 1 hướng, không có cơ chế đổi chiều chuyển động của piston, lại có thêm cơ chế tự cân bằng nhờ đối trọng nên rất ít rung động.
Chuyển động xoay của rotor tạo ra momen xoắn nên có thể sử dụng nhiên liệu có chỉ số octan thấp mà không gây ra đánh lửa sớm hay kích nổ.
Với rotor được làm bằng thép bên trong vỏ nhôm nên nó có khả năng giãn nở nhiệt lớn hơn.
Nhược điểm:
Mức tiêu thụ nhiên liệu rất cao, và còn rất ít ai hiểu rõ để sửa chữa một cách tốt nhất cho loại động cơ này.
Đặc điểm của loại động cơ này là đốt cả dầu trong buồng đốt nên cần phải châm dầu thường xuyên.
Hỗn hợp nhiên liệu – không khí không được lưu trữ trước vì không có van nạp.
Thời gian bơm nhiên liệu vào động cơ cũng ngắn hơn đáng kể do công nghệ phun nhiên liệu phức tạp.
Khí thải do đốt dầu cũng gây ô nhiễm mỗi trường và không đáp ứng được điều kiện khí thải cao như hiện nay.
Do làm từ các loại vật liệu khác nhau nên sự giãn nở nhiệt cũng khác nhau, do đó có thể piston (rotor) sẽ bị bó cứng vào trong thành xi lanh (vỏ).
Mặt khác, không thể bôi trơn như ở động cơ 2 kỳ vì cả 2 mặt đều tiếp xúc với nhiên liệu nên có thể phần tiếp xúc giữa rotor và vỏ có thể bị hở sau quá trình sử dụng cùng sự mài mòn.
Quá trình đốt chậm do sau khi đánh lửa, buồng đốt phải di chuyển trong hành trình dài, hẹp nên dễ gây ra sự trễ và không cháy sạch.
Tỉ số nén thấp hơn nên giảm hiệu suất, làm tiêu hao nhiên liệu và chất thải có thể bị lẫn vào nhiên liệu do dễ bị hở giữa rotor và vỏ.
Quá trình sản xuất đòi hỏi yêu cầu khắc khe, tính toán kỹ lưỡng, yêu cầu kỹ thuật cao và giá thành không hề rẻ.
Động cơ cần được chăm sóc thường xuyên về đánh lửa để tránh sự cố vì Wankel rất nhạy cảm với bỏ nửa vì động cơ sẽ mất động lực từ hành trình bị mất và bị đập trở lại chuyển động sau khi buồng tiếp theo cháy.
Ứng dụng:
Mặc dù với hiệu suất làm việc và sự ổn định cao nhưng có quá nhiều nhược điểm, nhất là về khí thải nên động cơ Wankel không giữ được vị thế của mình và chỉ được áp dụng trên các mẫu xe đua. Năm 2012 chiếc Mazda RX-8 được trang bị động cơ Wankel cũng đã ngừng sản xuất vì các điều kiện khí thải khắc nghiệt.
Theo bạn, động cơ nào tối ưu hơn đem lại hiệu suất động cơ, …
Nguồn tham khảo: oto.com, oto-hui.com, xecov, thuxe
