Những cải tiến lịch sử của động cơ đốt trong

Công nghệ tối tân tác động sâu đến động cơ, làm tăng công suất, hiệu suất nhưng cũng khiến nó ngày càng phức tạp.
 

Động cơ 4 kỳ thế chỗ 2 kỳ

 

Một trong những bước ngoặt sớm nhất diễn ra vào cuối năm 1800. Chu trình hoạt động diễn ra trong 2 vòng quay trục khuỷu, trải qua 4 giai đoạn: hút, nén, nổ, xả. So với động cơ 2 kỳ, loại 4 kỳ cải thiện mức tiêu thụ nhiên liệu, độ bền, công suất, mô-men và đặc biệt là khí thải. Tuy nhiên nó đắt và phức tạp hơn vì sử dụng van cho cả đường nạp và xả.

 

Nạp cưỡng bức bằng turbin tăng áp

 

Một động cơ cần đủ 3 yếu tố để tạo ra động năng: nhiên liệu, khí và tia lửa. Càng đốt cháy nhiều không khí và nhiên liệu theo tỷ lệ thích hợp thì càng tạo ra nhiều công suất. Nguyên tắc này mở đường cho việc ứng dụng turbin tăng áp cho động cơ.

 

Tubin tăng áp trên xe BMW Serie 7.

 

Về mặt bản chất turbin tăng áp là một máy nén khí, "thổi" khí áp suất cao vào buồng cháy nhờ đó nâng cao tỷ nén. Hệ thống nạp cưỡng bức từng sử dụng trên động cơ máy bay trong thời gian dài trước khi được ứng dụng trên động cơ ôtô vào năm 1960. Chúng giúp động cơ nhỏ tạo ra công suất lớn. Không tăng kích thước động cơ mà vẫn tạo công suất lớn đồng nghĩa với tiết kiệm nhiên liệu. Tuy nhiên nhược điểm là yêu cầu sử dụng xăng cao cấp, và turbin chỉ phát huy công dụng khi cánh đạt tốc độ cao.

 

Phun xăng điện tử

 

Nhiều thập kỷ trước, người ta sử dụng chế hòa khí để trộn và xé tơi xăng trong không khí. Nhấn ga, chế hòa khí cấp nhiều nhiên liệu và không khí vào buồng đốt hơn. Cuối những năm 1980, chế hòa khí dần được thay bằng hệ thống phun xăng với ưu thế việc hòa trộn nhiên liệu đạt hiệu quả hơn, động cơ dễ khởi động ngay cả trong thời tiết lạnh, phản ứng nhanh với những thay đổi ở chân ga. Tất nhiên cái giá cho cải tiến là sự phức tạp, chi phí cao.

 

Phun xăng trực tiếp

 

Phát kiến này là sự tinh luyện của hệ thống phun xăng điện tử. Xăng được đưa trực tiếp vào buồng đốt để tăng hiệu suất và công suất.

 

Dùng nhôm làm thân động cơ

 

Vài năm trước, ngành ôtô rộ lên xu hướng giảm tiêu thụ nhiên liệu, tăng khả năng vận hành. Một trong những phương án làm nhẹ xe là sử dụng nhôm thay cho thép làm thân động cơ. Tuy nhiên nhôm có nhược điểm là không cứng và kém ổn định so với thép khi ở nhiệt động cao.

 

Đưa trục cam lên đỉnh máy

 

Nhiều thập kỷ trước, hệ thống phân phối khí phổ biến trên động cơ là loại OHV (Overhead Valve), trục cam đặt trong thân máy, điều khiển xu-páp thông qua cần đẩy. Phương án này làm tăng khối lượng và hạn chế tốc độ máy.

 

Đưa trục cam lên đỉnh xi-lanh giúp chúng nhỏ lại, tạo điều kiện cho việc bố trí thêm nhiều xu-páp. Tăng tiết diện lưu thông, tức là khí vào ra nhiều hơn, công suất động cơ tăng.

 

Thực tế, một vài hãng vẫn còn khá mặn mà với kiểu bố trí xu-páp treo (OHV): Chrysler sử dụng nó trong động cơ Hemi V8, General Motors vẫn ứng dụng phương pháp cần đẩy trong một số công nghệ cao trên mẫu V8 mới. Tuy nhiên, DOHC (trục cam kép) và SOHC (trục cam đơn) cho thấy rõ ưu điểm trên động cơ loại nhỏ kể từ năm 1980.

 

Công nghệ van biến thiên

 

Về mặt bản chất, công nghệ này thay đổi thời gian đóng mở xu-páp một linh hoạt theo tốc độ giúp động cơ nạp khí tối ưu từ đóng nâng cao khả năng vận hành đặc biệt khi ở tốc độ thấp. Honda gọi đó là VTEC, Toyota là VVT, còn BMW là Valvetronic.

 

.

Máy tính "hóa" động cơ

 

 

Động cơ ngày nay là thiết bị tinh vi đáng kinh ngạc. Nó gồm nhiều phần tử hoạt động và đảm nhiệm các chức năng khác nhau. Đó là lý do vì sao nó cần một chiếc máy tính (ECU) để kiểm soát mọi thứ. ECU đảm bảo cho thời gian đánh lửa, tỷ lệ nhiên liệu - không khí, vòi phun, tốc độ không tải và các hệ thống khác vận hành theo đúng những gì được thiết kế.

 

Nó giám sát mọi thứ diễn ra bên trong động cơ thông qua cảm biến, và thực hiện hàng triệu phép tính trong mỗi giây dù mọi thứ vẫn đang vận hành trơn tru. Một máy tính khác trong xe kiểm soát mọi thứ như: hệ thống điện, túi khí, nhiệt độ carbin, kiểm soát lực kéo, hệ thống chống bó cứng phanh, và hộp số tự động.

 

Ôtô được máy tính hóa kể từ khi hệ thống chẩn đoán On-Board Diagnostic (OBD) tích hợp lần đầu tiên vào nhưng năm 1980.

 

Động cơ Diesel sạch hơn

 

Tai tiếng về độ rung ồn, khói muội và tin cậy của thế hệ máy dầu những năm 70 - 80 thế kỷ trước khiến nó ít được chuộng tại Mỹ, dù luôn tiết kiệm nhiên liệu và có công suất cao hơn so với động cơ xăng cùng cấp. Các mẫu động cơ xăng đời mới sử dụng nhiên liệu nghèo lưu huỳnh nên thải khí sạch hơn. Một số hãng sản xuất máy dầu Volkswagen, Mercedes-Benz, BMW, Volvo có hàng loạt cải tiến: turbin tăng áp, hệ thống phun phức tạp.

 

Động cơ Hybird

 

Giá nhiên liệu tăng, ý thức môi trường nâng cao, tiêu chuẩn khí thải siết chắt tạo nên một bước ngoặt lớn trong ngành là sự ra đời của xe hybrid. Động cơ hybrid xuất hiện cách đây một thập kỷ. Nó là sự kết hợp của động cơ đốt truyền thống và động cơ điện nhằm giảm mức tiêu thụ nhiên liệu.

 

Toyota Prius được xem như mẫu hybrid điển hình. Xe trang bị động cơ 4 xi-lanh dung tích 1,8 lít, kết hợp với một động cơ điện cho tổng công suất 134 mã lực. Xe có mức tiêu thụ trên đường hỗn hợp đạt 4,7 lít cho 100 km.

 

Nhược điểm của xe Hybrid là có chi phí ban đầu lớn, điều này gây ra những tranh cãi về lợi ích nó mang lại với những gì khách hàng phải bỏ ra.