Hầu hết mọi người đều biết rằng Ford Model T là chiếc ô tô thực sự có giá cả phải chăng đầu tiên. Nhưng bạn có biết nó có loại động cơ gì không? Model T nguyên bản, ra mắt năm 1908, được trang bị động cơ 4 xi-lanh, dung tích 2,9 lít, công suất chỉ 22 mã lực.
Thực sự thì đó là một con số rất nhỏ so với kích thước của nó so với các động cơ ngày nay, nhưng nó chắc chắn đánh bại động cơ của chiếc được coi là ô tô đầu tiên — chiếc Benz Patent Motorwagen 1885. Chiếc xe đó có động cơ một piston và chỉ tạo ra 2/3 mã lực.
Như bạn có thể thấy, động cơ ô tô đã không ngừng phát triển kể từ khi ngành ô tô bắt đầu. Ngày nay, chúng mạnh mẽ hơn, êm ái hơn, bền bỉ hơn, ít gây ô nhiễm hơn và tiết kiệm nhiên liệu hơn bao giờ hết nhờ những tiến bộ không ngừng trong thiết kế và công nghệ động cơ.
Các kỹ sư ô tô không ngừng nỗ lực tìm cách cải tiến động cơ đốt trong và đưa nó vào tương lai. Bạn biết còn bao nhiêu phát minh khác đã được cải tiến liên tục trong hàng trăm năm qua?
Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét 10 cải tiến động cơ lớn nhất và quan trọng nhất mọi thời đại. Từ hệ thống phun nhiên liệu đến động cơ hybrid, chúng ta sẽ xem xét động cơ đã phát triển như thế nào và hy vọng sẽ hiểu rõ hơn về hướng phát triển của chúng.
1. Chu kỳ động cơ bốn kỳ
Chiếc Benz Patent Motorwagen mà chúng ta đã nói đến ở trên, ngoài việc có một piston hoặc xi-lanh đơn, nó còn là động cơ hai kỳ, giống như nhiều động cơ đời đầu.
Động cơ bốn kỳ là một trong những cải tiến sớm nhất được thực hiện đối với động cơ đốt trong vào cuối những năm 1800. Trên động cơ bốn kỳ, động cơ đốt cháy xăng gồm bốn bước: nạp, nén, nổ và xả. Tất cả các bước này xảy ra khi piston di chuyển lên xuống hai lần.
Trước đó, các động cơ hai kỳ đơn giản hơn thực hiện cùng một nhiệm vụ – đốt xăng để tạo ra chuyển động cơ học – nhưng chúng thực hiện việc đó theo hai bước. Ngày nay, động cơ hai kỳ được tìm thấy trên các thiết bị nhỏ như máy cắt cỏ, xe máy nhỏ và động cơ công nghiệp lớn. Gần như tất cả các ô tô đều sử dụng chu trình bốn kỳ.
Động cơ bốn kỳ mang lại một số lợi ích, bao gồm cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu, độ bền cao hơn, công suất và mô-men xoắn cao hơn cũng như lượng khí thải sạch hơn. Tuy nhiên, so với động cơ hai kỳ, chúng phức tạp hơn, chế tạo tốn kém hơn và yêu cầu sử dụng van (xupap) để nạp và xả khí.
Mặc dù vậy, động cơ bốn kỳ đã trở thành tiêu chuẩn công nghiệp cho ô tô và chúng có thể sẽ không sớm biến mất.
2. Nạp cưỡng bức
Một động cơ cần ba thứ để tạo ra chuyển động: nhiên liệu, không khí và đánh lửa. Việc bơm thêm không khí vào động cơ sẽ làm tăng công suất do piston của động cơ tạo ra. Một cách lâu đời để làm điều đó và một cách ngày càng trở nên phổ biến gần đây là sử dụng nạp cưỡng bức. Bạn có thể biết rõ hơn về quá trình này nhờ các bộ phận tạo nên nó – bộ tăng áp và bộ siêu nạp.
Ở động cơ nạp cưỡng bức, không khí bị ép vào buồng đốt với áp suất cao hơn bình thường, tạo ra lực nén cao hơn và công suất lớn hơn từ mỗi hành trình của động cơ. Bộ tăng áp và bộ siêu nạp về cơ bản là máy nén khí đẩy nhiều không khí vào động cơ hơn.
Hệ thống nạp cưỡng bức đã được sử dụng trên động cơ máy bay từ rất lâu trước khi chúng bắt đầu được thêm vào động cơ ô tô vào những năm 1920. Chúng đặc biệt có lợi cho động cơ nhỏ vì chúng có thể tạo ra nhiều công suất bổ sung mà không làm tăng kích thước động cơ hoặc làm giảm đáng kể khả năng tiết kiệm nhiên liệu.
Một ví dụ điển hình là Mini Cooper S tăng áp, chỉ có động cơ 1,6 lít nhưng sản sinh công suất hơn 200 mã lực trong một số ứng dụng. Ngoài ra, những chiếc xe hiệu suất cao như Porsche 911 Turbo hay Corvette ZR-1 sử dụng nạp cưỡng bức để đạt được sức mạnh vượt trội.
Những hạn chế? Những chiếc xe có tăng áp thường yêu cầu xăng cao cấp. Sau đó là vấn đề về độ trễ của turbo, trong đó công suất không được cảm nhận cho đến khi bộ tăng áp tăng tốc ở số vòng quay mỗi phút (RPM) cao hơn. Các kỹ sư đã giúp giảm thiểu cả hai nhược điểm đó trong những năm gần đây bằng việc sử dụng 2 hoặc 3 turbo ở các giải tốc độ khác nhau.
3. Phun nhiên liệu
Trong nhiều thập kỷ đầu của ngành ô tô, phương pháp trộn nhiên liệu và không khí rồi đưa vào buồng đốt của động cơ là bộ chế hòa khí. Nhấn bàn đạp ga, bộ chế hòa khí sẽ cho phép nhiều không khí và nhiên liệu vào động cơ hơn.
Kể từ cuối những năm 1980, bộ chế hòa khí gần như được thay thế hoàn toàn bằng phun nhiên liệu, một hệ thống trộn nhiên liệu và không khí phức tạp và hiệu quả hơn nhiều. Kim phun nhiên liệu phun xăng vào ống nạp khí, tại đây nhiên liệu và không khí trộn lẫn với nhau thành một màn sương mịn. Hỗn hợp đó được đưa vào buồng đốt bằng các van trên mỗi xi lanh trong quá trình nạp. Máy tính trên động cơ điều khiển quá trình phun nhiên liệu.
Vậy tại sao phun nhiên liệu lại thay thế bộ chế hòa khí? Nói một cách đơn giản, phun nhiên liệu hoạt động tốt hơn về mọi mặt. Động cơ phun nhiên liệu được điều khiển bằng máy tính dễ khởi động hơn, đặc biệt là vào những ngày lạnh, khi bộ chế hòa khí có thể khiến mọi việc trở nên khó khăn. Động cơ phun nhiên liệu cũng hiệu quả hơn và phản ứng nhanh hơn với những thay đổi của bướm ga.
Chúng có nhược điểm là độ phức tạp tăng lên. Hệ thống phun nhiên liệu cũng tốn kém hơn so với việc sửa chữa bộ chế hòa khí. Tuy nhiên, chúng đã trở thành tiêu chuẩn công nghiệp về cung cấp nhiên liệu và có vẻ như bộ chế hòa khí sẽ không sớm quay trở lại.
4. Phun trực tiếp
Phun trực tiếp là sự cải tiến hơn nữa của những cải tiến được thực hiện bằng phun nhiên liệu. Như bạn có thể đoán từ tên của nó, nó cho phép phun nhiên liệu “bỏ qua một bước”, giúp tăng thêm hiệu suất cho động cơ, đồng thời tăng thêm công suất và cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu.
Trên động cơ phun trực tiếp, nhiên liệu được phun trực tiếp vào buồng đốt chứ không phải vào đường ống nạp khí. Sau đó, máy tính động cơ sẽ đảm bảo nhiên liệu được đốt cháy chính xác khi nào và ở đâu cần thiết, giảm thiểu chất thải. Phun trực tiếp cung cấp hỗn hợp nhiên liệu loãng hơn, đốt cháy hiệu quả hơn. Ở một khía cạnh nào đó, nó làm cho động cơ chạy bằng xăng giống với động cơ diesel vốn luôn sử dụng hình thức phun trực tiếp.
Như chúng ta đã biết, động cơ phun nhiên liệu trực tiếp tự hào về sự gia tăng công suất và tiết kiệm nhiên liệu so với hệ thống phun nhiên liệu thông thường. Nhưng chúng cũng có nhược điểm. Thứ nhất, công nghệ này là một công nghệ tương đối mới, chỉ mới xuất hiện trên thị trường trong khoảng hơn thập kỷ trở lại đây. Ngày càng có nhiều công ty bắt đầu tăng cường sử dụng phương pháp phun trực tiếp, nhưng nó vẫn chưa trở thành tiêu chuẩn.
Đôi khi, động cơ phun xăng trực tiếp có thể biểu hiện sự tích tụ cặn carbon trên van nạp, điều này có thể gây ra các vấn đề về độ tin cậy. Một số hãng độ ô tô cũng bày tỏ khó khăn trong việc sửa đổi động cơ phun xăng trực tiếp. Bất chấp những vấn đề này, phun nhiên liệu trực tiếp vẫn là công nghệ mới hot trong thế giới ô tô hiện nay. Hy vọng sẽ thấy nó trên ngày càng nhiều xe ô tô khi thời gian trôi qua.
5. Khối động cơ hợp kim nhôm
Trong vài năm qua, ô tô đang có xu hướng nhẹ hơn về nhiều mặt. Các nhà sản xuất ô tô tìm cách giảm trọng lượng của xe để có được hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu tốt hơn. Một trong những cách họ đã thực hiện phần lớn là thay thế động cơ làm bằng gang, thép bằng động cơ nhôm (hợp kim).
Trong nhiều năm, khối động cơ bằng gang thép là tiêu chuẩn công nghiệp. Ngày nay, phần lớn các động cơ nhỏ mới đều sử dụng nhôm, mặc dù nhiều động cơ V8 lớn vẫn sử dụng khối thép nặng nề. Nhôm nhẹ hơn thép rất nhiều – thông thường, động cơ nhôm nặng bằng một nửa trọng lượng của động cơ thép. Điều đó dẫn đến trọng lượng tổng thể của xe nhẹ hơn, đồng nghĩa với việc xử lý tốt hơn và tiết kiệm nhiên liệu hơn.
Tuy nhiên, nhôm có một số nhược điểm. Là một kim loại, nó không bền bằng thép và cũng không chịu được nhiệt độ cao. Nhiều động cơ khối nhôm đời đầu gặp vấn đề cong vênh xi-lanh, dẫn đến lo ngại về độ bền. Tuy nhiên, những vấn đề đó phần lớn đã được giải quyết và nhôm rõ ràng đã khẳng định mình là tương lai của động cơ do đặc tính giảm trọng lượng của nó.
6. Động cơ trục cam trên cao OHC
Bạn có thể đã từng nghe đến thuật ngữ “DOHC” hoặc “trục cam kép trên cao”. Hầu hết mọi người đều nhận ra đây là một tính năng đáng mong muốn có, nhưng nó có nghĩa là gì? Thuật ngữ này đề cập đến số lượng trục cam phía trên mỗi xi lanh trong động cơ.
Trục cam là một phần của hệ thống van của ô tô, là hệ thống kiểm soát dòng nhiên liệu và không khí vào xi lanh. Trong nhiều thập kỷ, ô tô chủ yếu có động cơ OHV, nghĩa là van trên cao, còn được gọi là “cần đẩy”. Thanh đẩy được dẫn động bởi trục cam bên trong khối động cơ. Thiết lập này tăng thêm khối lượng cho động cơ và có thể hạn chế tốc độ tổng thể của nó.
Khi thiết lập cam trên, trục cam nhỏ hơn nhiều và được lắp phía trên đầu xi-lanh, thay vì trong khối động cơ. Bao gồm động cơ cam đơn SOHC, và động cơ cam đôi DOHC. Lợi ích của việc thiết lập cam trên là nó cho phép có nhiều van nạp và van xả hơn, nghĩa là nhiên liệu, không khí và khí thải có thể di chuyển tự do vào và ra nhiều hơn qua động cơ, tăng thêm công suất.
Tuy nhiên, động cơ OHC thực tế chưa thay thế hoàn toàn động cơ cần đẩy. Chrysler vẫn sử dụng cần đẩy để tạo ra nhiều năng lượng cho động cơ Hemi V8 của họ; General Motors cũng sử dụng cần đẩy trên một số động cơ V8 hiện đại, công nghệ cao của họ. Nhưng động cơ DOHC và SOHC đã nổi bật trên các động cơ, đặc biệt là các động cơ nhỏ hơn, kể từ những năm 1980.
7. Định thời van biến thiên
Định thời van biến thiên, đơn giản là có thể thay đổi thời điểm đóng mở van nạp (xả). Chắc chắn bạn đã từng nghe đến thuật ngữ VTEC (Honda), VVT hay VVT-i của Toyota (Variable Valve Timing). Nó đều là công nghệ định thời van biến thiên. Nhưng điều đó có ý nghĩa gì?
VVT đề cập đến điều khiển điện tử van biến thiên. Đôi khi, động cơ cần nhiều luồng không khí hơn, chẳng hạn như khi tăng tốc mạnh, nhưng động cơ truyền thống thường không cho đủ không khí lưu thông, dẫn đến hiệu suất thấp hơn. Điều khiển van biến thiên cho phép luồng không khí vào và ra khỏi van bị chậm lại hoặc tăng tốc khi cần thiết.
Ngoài Honda và Toyota, nhiều hãng khác cũng có những công nghệ tương tự, BMW có một hệ thống tên là Valvetronic hoặc VANOS, viết tắt của variable Nockenwellensteuerung, nghĩa là điều khiển trục cam biến thiên. Mặc dù chúng hoạt động hơi khác một chút nhưng chúng đều hoàn thành cùng một nhiệm vụ – cho phép nhiều không khí và nhiên liệu vào van ở các tốc độ khác nhau. Điều này làm cho động cơ linh hoạt hơn và cho phép nó mang lại hiệu suất cao nhất trong nhiều điều kiện khác nhau. Nó cũng làm tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu.
Nhiều động cơ hiện nay kết hợp một số dạng điều khiển van biến thiên, thường được điều khiển bởi máy tính trên động cơ.
8. Máy tính tích hợp trên động cơ
Động cơ là một thiết bị vô cùng tinh vi. Nó có hàng tá bộ phận chuyển động và có rất nhiều quy trình khác nhau diễn ra cùng một lúc. Đó là lý do tại sao ô tô hiện đại có mọi thứ được điều khiển bởi một máy tính tích hợp được gọi là bộ điều khiển động cơ hay ECU.
ECU đảm bảo các quy trình như thời điểm đánh lửa, hỗn hợp không khí/nhiên liệu, phun nhiên liệu, tốc độ không tải và các quy trình khác hoạt động theo cách chúng được yêu cầu. Nó giám sát những gì đang diễn ra trong động cơ bằng cách sử dụng một loạt cảm biến và thực hiện hàng triệu phép tính mỗi giây để giữ cho mọi thứ hoạt động chính xác. Các máy tính khác trong xe điều khiển những thứ như hệ thống điện, túi khí, nhiệt độ bên trong, kiểm soát lực kéo, phanh chống bó cứng và hộp số tự động.
Ô tô ngày càng được vi tính hóa kể từ khi máy tính chẩn đoán trên xe (OBD) đầu tiên được bổ sung vào những năm 1980. Đó là máy tính chịu trách nhiệm về đèn “kiểm tra động cơ” trên bảng điều khiển. Nó có chức năng chẩn đoán, thông báo lỗi.
Bằng cách làm cho động cơ chạy hiệu quả hơn, máy tính động cơ có thể mang lại hiệu quả sử dụng nhiên liệu cao hơn và chẩn đoán vấn đề dễ dàng hơn. Nhưng chúng cũng làm cho động cơ trở nên phức tạp hơn nhiều.
9. Động cơ diesel sạch
Cho đến nay chúng ta đã nói rất nhiều về động cơ xăng, nhưng còn động cơ diesel thì sao? Động cơ diesel chưa bao giờ được bán chạy ở Hoa Kỳ. Mặc dù tiết kiệm nhiên liệu vượt trội so với các động cơ xăng tương tự, nhưng nhiều người Mỹ vẫn nghĩ động cơ diesel là động cơ ồn ào, nhiều bồ hóng, có mùi hôi và không đáng tin cậy vào những năm 1970 và 1980.
Đó không phải là vấn đề nữa. Động cơ diesel hiện đại mạnh mẽ, sạch sẽ và cực kỳ tiết kiệm nhiên liệu. Động cơ ngày nay sử dụng dạng nhiên liệu diesel có hàm lượng lưu huỳnh thấp và các hệ thống trong ô tô giúp loại bỏ vật chất hạt và ô nhiễm dư thừa.
Động cơ diesel do các công ty như Volkswagen, Mercedes-Benz, BMW, Volvo và các công ty khác sản xuất có những cải tiến về động cơ như tăng áp, phun nhiên liệu phức tạp và điều khiển máy tính để mang lại trải nghiệm lái vừa hiệu quả vừa có mô-men xoắn cao.
10. Hybrid
Sự kết hợp giữa giá xăng cao, nhận thức về môi trường ngày càng tăng của người lái xe và các quy định của chính phủ nâng cao tiêu chuẩn tiết kiệm nhiên liệu và khí thải đã buộc động cơ phải “chuyển sang màu xanh” hơn bao giờ hết. Một trong những cải tiến động cơ lớn nhất được sử dụng để tăng hiệu suất trong những năm gần đây là động cơ hybrid.
Xe hybrid với động cơ điện được kết hợp với động cơ xăng truyền thống để đạt được chỉ số tiết kiệm nhiên liệu cao nhưng không có “lo lắng về phạm vi hoạt động” của động cơ điện, nơi mà Người lái xe luôn thắc mắc điều gì sẽ xảy ra khi hết pin.
Toyota Prius một trong những mẫu xe hybrid bán chạy nhất. Nó tự hào có động cơ 4 xi-lanh 1,8 lít kết hợp với động cơ điện tạo ra công suất 134 mã lực. Ở tốc độ thấp, động cơ điện hoạt động độc lập, nghĩa là xe hoàn toàn không sử dụng xăng. Ở những tải nặng hơn khác, nó hỗ trợ động cơ xăng.
Những chiếc hybrid như Prius đại diện cho sự phát triển mới nhất trong công nghệ đốt trong. Mặc dù lợi ích của chúng đến ở dạng tiết kiệm nhiên liệu nhưng cũng có một số nhược điểm. Xe hybrid có chi phí ban đầu cao hơn so với xe không hybrid.
Tuy nhiên, rõ ràng là động cơ đang có xu hướng giảm lượng khí thải và tiết kiệm nhiên liệu hơn. Trong khi những chiếc xe chỉ chạy bằng điện đang trở nên phổ biến hơn, thì rõ ràng động cơ đốt trong vẫn chưa đi đến đâu cả. Đơn giản là nó sẽ tiếp tục phát triển để ngày càng tốt hơn, giống như những gì nó đã làm kể từ thời Model T.
