VIENIDMY Đăng nhập Vào luyện thi

Trang chủ › Giáo trình › Bảo dưỡng ô tô (Tokutei 2)

Cấu tạo và tính năng của động cơ

Bảo dưỡng ô tô (Tokutei 2) · 自動車整備分野(2号) · Bài học do Tokutei Pass tự biên soạn dựa trên giáo trình chính thức; không sao chép nguyên văn.

Các chỉ số tính năng động cơ (Áp suất có ích trung bình, Công suất trục, Hiệu suất nhiệt, Tổn thất)

Khi so sánh tính năng động cơ, 'Áp suất có ích trung bình' là giá trị lấy công của 1 chu trình chia cho thể tích công tác (tổng dung tích xi-lanh), được dùng để so sánh tính năng giữa các động cơ có dung tích hoặc phương thức hoạt động khác nhau.

Công suất do khí cháy trong xi-lanh tác dụng lên đỉnh piston được gọi là 'Công suất chỉ thị (Mã lực chỉ thị)', còn công suất thực tế lấy ra được từ trục khuỷu ra bên ngoài được gọi là 'Công suất có ích' hoặc 'Công suất trục'.

Phần chênh lệch lấy công suất chỉ thị trừ đi công suất trục là 'Tổn thất cơ giới'. Tổn thất cơ giới bao gồm 'tổn thất ma sát' của piston, xéc-măng và các bạc trục, 'tổn thất dẫn động phụ tải' của bơm nước, bơm dầu, máy phát điện, cùng 'tổn thất bơm khí' khi nạp xả.

Ngược lại, phần nhiệt lượng cháy của nhiên liệu không biến thành công mà thất thoát ra ngoài gọi là 'Tổn thất nhiệt', bao gồm 'tổn thất làm mát' truyền vào nước làm mát và thành xi-lanh cùng 'tổn thất khí xả' theo dòng khí xả nhiệt độ cao thoát ra ngoài; cần lưu ý không nhầm lẫn với tổn thất cơ giới.

Ngoài ra, 'Hiệu suất nhiệt lý thuyết' là tỷ lệ giữa nhiệt lượng có thể biến thành công trong chu trình lý thuyết so với tổng nhiệt lượng cung cấp; tỷ số nén càng cao thì hiệu suất nhiệt lý thuyết càng tăng.

Điểm cần nhớ


  • Áp suất có ích trung bình = Công của 1 chu trình ÷ Thể tích công tác (dùng để so sánh các động cơ khác dung tích hoặc phương thức hoạt động).

  • Công suất thực tế thu được từ trục khuỷu gọi là 'Công suất có ích (Công suất trục)', và Hiệu suất cơ giới = Công suất trục ÷ Công suất chỉ thị.

  • Tổn thất ma sát của piston/bạc trục và tổn thất dẫn động bơm nước, máy phát thuộc về 'Tổn thất cơ giới', không phải 'Tổn thất nhiệt'.

  • Ví dụ: Động cơ có công của 1 chu trình là 1.800J, thể tích công tác 0,0015m³ (1.500cm³) → Áp suất có ích trung bình = 1.800 ÷ 0,0015 = 1.200.000Pa = 1,2MPa

  • Ví dụ: Động cơ có công suất chỉ thị 100kW và tổn thất cơ giới 15kW → Công suất trục (công suất có ích) = 100 − 15 = 85kW, hiệu suất cơ giới = 85 ÷ 100 × 100 = 85%
Từ vựngNghĩa
áp suất có ích trung bình
công suất có ích (công suất trục)
tổn thất cơ giới và tổn thất nhiệt
hiệu suất nhiệt lý thuyết

Hình dạng buồng đốt và tác dụng của vùng chèn khí (Squish area)

Buồng đốt của động cơ xăng thường sử dụng kiểu 'buồng đốt hình mái nhà (Pentroof)' hoặc 'buồng đốt bán cầu' bố trí các xupap nạp và xả nghiêng đối xứng để giảm tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích (tỷ số S/V).

Khe hở hẹp tạo bởi mặt dưới nắp quy-lát và phần rìa đỉnh piston được gọi là 'Vùng chèn khí (Squish area)'; vào cuối kỳ nén khi piston tiến sát Điểm chết trên, hỗn hợp khí sẽ bị ép phụt mạnh vào trung tâm buồng đốt.

Dòng xoáy lốc (xoáy Squish) sinh ra lúc này làm tăng tốc độ lan truyền màng lửa vào cuối kỳ nén sang kỳ cháy - giãn nở, giúp rút ngắn thời gian cháy và ngăn ngừa hiện tượng cháy bất thường (kích nổ / Knocking).

Bề dày (khe hở) của vùng Squish 'càng nhỏ' thì vận tốc dòng xoáy của hòa khí phụt ra càng cao (càng nhanh). Ngoài ra, 'vùng Squish vát nghiêng' nhờ hình dạng nghiêng giúp luồng khí từ đường nạp đi vào mượt mà hơn và tạo ra dòng xoáy mạnh.

Điểm cần nhớ


  • Khe hở (bề dày) của vùng Squish 'càng nhỏ' thì vận tốc dòng xoáy lốc càng nhanh.

  • Dòng xoáy làm tăng tốc độ lan truyền màng lửa, 'rút ngắn' thời gian cháy để chống kích nổ (tác dụng vào cuối kỳ nén - kỳ cháy chứ không phải kỳ nạp).

  • Vùng Squish vát nghiêng nhờ hình dạng nghiêng giúp dòng khí từ đường nạp đi vào mượt mà và tạo dòng xoáy mạnh.
Từ vựngNghĩa
vùng chèn khí (Squish area)
vùng Squish vát nghiêng
tốc độ lan truyền màng lửa
buồng đốt hình mái nhà (Pentroof)

Cấu tạo, vật liệu của piston - xéc-măng và hiện tượng xước (Scuffing)

Do giãn nở nhiệt khi làm việc, piston hợp kim nhôm ở nhiệt độ thường được gia công thành hình ô-van (đường kính theo phương chốt piston nhỏ hơn phương chịu lực ngang một chút) và hình côn nhỏ dần về phía đỉnh.

Trong các xéc-măng piston, 'xéc-măng khí (Compression ring)' đảm nhận 2 nhiệm vụ: giữ kín khí cháy giữa thành xi-lanh với piston, và truyền phần lớn nhiệt lượng mà piston nhận được khi cháy sang thành xi-lanh để tản nhiệt.

Xéc-măng khí kiểu mặt côn 'Taper-face' có mặt ngoài vát góc giúp chạy rà tiếp xúc nhanh và gạt dầu tốt, thường được dùng làm 'xéc-măng số 2 (Second ring)'. Ngoài ra, 'xéc-măng dầu (kiểu tổ hợp)' thông thường được chế tạo bằng 'thép cacbon (thép)' chứ không phải gang đặc biệt.

Hiện tượng màng dầu bôi trơn trên thành xi-lanh bị đứt làm xéc-măng và thành xi-lanh tiếp xúc trực tiếp với nhau, sinh nhiệt cục bộ gây nóng chảy và tạo thành các vết cào xước dọc trên bề mặt gọi là 'hiện tượng Scuffing (xước bề mặt)'.

Ở tốc độ vòng tua cao, hiện tượng xéc-măng bị rung đập dọc trong rãnh xéc-măng làm mất độ kín khí được gọi là 'hiện tượng Fluttering (phập phồng)', gây hao dầu máy và làm giảm công suất động cơ.

Cấu tạo, vật liệu của piston - xéc-măng và hiện tượng xước (Scuffing)

Điểm cần nhớ


  • Xéc-măng khí có 2 vai trò: 'giữ kín khí buồng đốt' và 'truyền nhiệt từ piston sang thành xi-lanh'.

  • Xéc-măng kiểu mặt côn (Taper-face) thường dùng cho xéc-măng số 2; xéc-măng dầu thông thường làm bằng 'thép cacbon' (nói làm bằng gang đặc biệt là sai).

  • Hiện tượng Scuffing là khi màng dầu trên thành xi-lanh bị đứt khiến xéc-măng tiếp xúc trực tiếp với thành xi-lanh gây vết cào xước.
Từ vựngNghĩa
xéc-măng khí và xéc-măng dầu
xéc-măng mặt côn (Taper-face)
hiện tượng cào xước do đứt màng dầu (Scuffing)
hiện tượng rung phập phồng xéc-măng (Fluttering)

Bạc thanh truyền (Crush height, Độ căng, Vật liệu bạc) và bộ giảm chấn xoắn

Trên hai nửa 'bạc thanh truyền (bạc biên)' lắp ở đầu to thanh truyền có thiết kế phần nhô cao hơn nửa vòng tròn một chút gọi là 'Crush height (độ nhô)' nhằm ép lưng bạc áp chặt vào lỗ thanh truyền khi siết nắp để dẫn nhiệt tốt và chống xoay bạc.

Nếu Crush height 'quá lớn', khi lắp ghép bạc sẽ bị phồng/võng làm tải trọng dồn cục bộ gây mỏi và hỏng bạc sớm; ngược lại nếu 'quá nhỏ', lưng bạc không áp sát gây tản nhiệt kém và làm bạc bị xoay trượt trong ổ.

Bên cạnh đó, 'độ căng (Spread / độ mở)' của bạc là việc chế tạo đường kính ngoài của bạc trước khi lắp rộng hơn đường kính lỗ một chút, giúp ngăn hai mép bạc bị quặp cong vào phía trong khi chịu nén lúc lắp ráp.

Về vật liệu bạc, 'bạc 3 lớp (Tri-metal)' gồm lớp hợp kim đồng pha 20%–30% chì (Kelmet) thiêu kết trên lưng thép và mạ phủ lớp hợp kim chì-thiếc (hoặc chì-indi) ở trên. Với bạc hợp kim nhôm, loại có hàm lượng thiếc (Sn) cao sẽ giãn nở nhiệt lớn hơn nên phải thiết kế khe hở dầu (Oil clearance) lớn hơn loại ít thiếc.

'Bộ giảm chấn xoắn (Torsional damper)' lắp ở đầu trước trục khuỷu sử dụng vật liệu đàn hồi như cao su để hấp thụ 'dao động xoắn' của trục khuỷu, ngăn ngừa cộng hưởng gây gãy trục và tiếng ồn.

Điểm cần nhớ


  • Crush height 'quá lớn' làm bạc bị võng gây tải trọng cục bộ; 'quá nhỏ' gây tiếp xúc kém, tản nhiệt kém và xoay bạc.

  • 'Độ căng (Spread)' ngăn bạc quặp vào trong khi lắp; bạc hợp kim nhôm có hàm lượng thiếc cao phải để khe hở dầu lớn hơn.

  • Bộ giảm chấn xoắn (Torsional damper) có tác dụng hấp thụ 'dao động xoắn' của trục khuỷu (không phải dao động dọc trục).
Từ vựngNghĩa
độ nhô (Crush height) và độ căng mở (Spread)
bạc 3 lớp (Tri-metal / hợp kim đồng-chì Kelmet)
bạc hợp kim nhôm (chứa thiếc)
bộ giảm chấn xoắn trục khuỷu (Torsional damper)

Thời điểm phối khí, Góc trùng điệp xupap, Thứ tự nổ và tính góc quay trục khuỷu

Ở động cơ 4 kỳ, để tận dụng quán tính dòng khí nhằm tăng hiệu suất nạp, xupap nạp được mở trước Điểm chết trên (ĐCT) kỳ xả và đóng sau Điểm chết dưới (ĐCD) kỳ nạp; xupap xả mở trước ĐCD kỳ nổ và đóng sau ĐCT kỳ xả.

Vì vậy, vào cuối kỳ xả - đầu kỳ nạp (quanh vùng ĐCT), có một khoảng góc quay mà cả xupap nạp và xupap xả đều mở đồng thời, được gọi là 'góc trùng điệp xupap (Valve overlap)'.

Ở động cơ 4 kỳ 4 xi-lanh thẳng hàng có thứ tự nổ '1―3―4―2', trục khuỷu quay 720° (2 vòng) thì cả 4 máy hoàn thành 1 chu trình, nên cứ mỗi 180° góc quay trục khuỷu sẽ có máy tiếp theo lên tới ĐCT kỳ nén theo đúng thứ tự '1 → 3 → 4 → 2'.

Ngoài ra, cặp 'máy 1 với máy 4' và cặp 'máy 2 với máy 3' song hành cùng vị trí piston (lệch pha nhau đúng 360°): khi một máy ở 'ĐCT kỳ nén' thì máy đối xứng với nó chắc chắn đang nằm ở 'ĐCT trùng điệp xupap (Overlap)'.

Từ vị trí một máy đang ở ĐCT kỳ nén (0°), nếu quay trục khuỷu thêm 360° thì chính máy đó sẽ chuyển sang 'ĐCT trùng điệp xupap'; nếu quay thêm 540° (180° + 360°) thì máy kế tiếp nó trong thứ tự nổ sẽ nằm tại 'ĐCT trùng điệp xupap'.

Thời điểm phối khí, Góc trùng điệp xupap, Thứ tự nổ và tính góc quay trục khuỷu

Điểm cần nhớ


  • Thứ tự nổ '1―3―4―2': Cứ mỗi 180° máy tiếp theo lên ĐCT nén; hai máy đối xứng (1–4, 2–3) luôn ngược trạng thái giữa ĐCT nén và ĐCT trùng điệp.

  • Quay 360° làm đổi chỗ ĐCT nén và ĐCT trùng điệp của cùng 1 máy; quay 540° đưa máy kế tiếp (sau 180°) lên ĐCT trùng điệp xupap.

  • Ví dụ: Thứ tự nổ 1―3―4―2, từ lúc máy 4 ở ĐCT nén quay trục khuỷu thêm 540° → Quay 180° đưa máy 2 lên ĐCT nén, quay thêm 360° nữa (tổng 540°) đưa 'máy số 2' tới ĐCT trùng điệp xupap (ĐCT nén lúc này là máy 3)

  • Ví dụ: Thứ tự nổ 1―3―4―2, từ lúc máy 1 ở ĐCT nén quay trục khuỷu thêm 180° → Máy tiếp theo là máy 3 lên ĐCT nén, còn máy đối xứng với nó là 'máy số 2' nằm ở ĐCT trùng điệp xupap
Từ vựngNghĩa
thời điểm phối khí (Valve timing)
trùng điệp xupap (Valve overlap)
ĐCT kỳ nén và ĐCT trùng điệp xupap
thứ tự nổ (1―3―4―2)

Cơ cấu phối khí biến thiên thủy lực (VVT) và Bộ tăng áp (Turbo / Supercharger)

Cơ cấu phối khí biến thiên bằng thủy lực (VVT) lắp ở phía trục cam nạp được điều khiển bằng cách cấp áp suất dầu vào 'bộ điều khiển thời điểm phối khí (Valve timing controller)' bố trí ngay tại đĩa xích cam (puli cam) ở đầu trước trục cam.

Cơ cấu này giữ nguyên góc mở xupap (khoảng góc cam mở không đổi) và chỉ làm thay đổi góc pha của trục cam so với trục khuỷu để làm sớm (Advance) hoặc làm muộn (Retard) thời điểm đóng mở xupap nạp.

Ở vùng tốc độ và tải trung bình, hệ thống điều khiển 'làm sớm' để mở xupap nạp sớm hơn, tăng góc trùng điệp nhằm tăng hiệu quả EGR nội tại và hiệu suất thể tích. Ngược lại, khi chạy cầm chừng và tốc độ cao sẽ điều khiển 'làm muộn' để ổn định cầm chừng hoặc đóng muộn tận dụng quán tính khí nạp.

Trong các bộ tăng áp, 'Turbocharger' tận dụng năng lượng dòng khí xả làm quay tuabin; cánh nén (Compressor wheel) và cánh tuabin (Turbine wheel) nối chung trên 1 trục nên quay 'cùng tốc độ'. Nó nhỏ gọn nhưng dễ bị trễ (Turbo lag) ở vòng tua thấp.

Bộ siêu nạp dẫn động cơ khí 'kiểu Roots 2 cánh (2-lobe Roots supercharger)' có 2 rô-to hình số 8 quay ngược chiều nhau; mỗi 1 vòng quay của rô-to thực hiện tổng cộng '4 lần' nạp và đẩy khí. Khi áp suất tăng áp đạt trị số quy định, van xả tắt khí (Air bypass valve) sẽ mở để xả bớt khí nén về phía đường nạp.

Cơ cấu phối khí biến thiên thủy lực (VVT) và Bộ tăng áp (Turbo / Supercharger)

Điểm cần nhớ


  • VVT thủy lực đặt bộ điều khiển ở đầu trước trục cam, giữ nguyên góc mở cam và thay đổi pha trục cam (khi làm sớm: mở sớm hơn, góc trùng điệp tăng).

  • Cánh nén và cánh tuabin của Turbocharger quay cùng tốc độ, dùng van cửa xả (Wastegate valve) để điều chỉnh áp suất tăng áp.

  • Bộ siêu nạp kiểu Roots 2 cánh thực hiện '4 lần' nạp và đẩy trong 1 vòng quay rô-to, dùng van Air bypass để khống chế áp suất tăng áp.
Từ vựngNghĩa
cơ cấu phối khí biến thiên (VVT)
bộ chấp hành điều khiển thời điểm van
bộ tăng áp khí xả (Turbocharger) và van Wastegate
bộ siêu nạp kiểu Roots 2 cánh và van Air bypass

Đặc tính khí xả động cơ xăng, Xúc tác 3 thành phần và Diesel (Common rail, DPF, SCR urê)

Khi động cơ xăng cháy bình thường, nitơ (N₂) và oxy (O₂) trong không khí kết hợp với hydrocarbon (HC) trong xăng tạo ra phần lớn là khí CO₂ và hơi nước (H₂O) vô hại, nhưng vẫn phát sinh một lượng nhỏ khí độc CO (cacbon monoxit), HC và NOx (oxit nitơ).

Khí NOx phát sinh càng nhiều khi nhiệt độ khí cháy 'càng cao' và có dư oxy (đạt cực đại ở vùng hòa khí hơi nghèo khoảng 15,5 : 1 so với tỷ lệ lý thuyết 14,7 : 1). Ngược lại, ở vùng hòa khí 'đậm (giàu)' hơn tỷ lệ lý thuyết, nhiệt độ cháy giảm và thiếu oxy nên NOx giảm nhưng CO và HC tăng mạnh.

'Bộ xúc tác 3 thành phần' hoạt động hiệu quả nhất khi tỷ lệ không khí - nhiên liệu được giữ sát quanh 'tỷ lệ lý thuyết (14,7 : 1)', giúp oxy hóa CO, HC và khử NOx đồng thời. Ngoài ra, 'hệ thống tuần hoàn khí xả (EGR)' đưa một phần khí xả trơ quay lại đường nạp để hạ nhiệt độ cháy cực đại, qua đó giảm NOx.

Hệ thống phun nhiên liệu 'Common rail' của động cơ Diesel tích trữ nhiên liệu áp suất rất cao trong ống phân phối chung và dùng ECU điều khiển kim phun thực hiện 'phun mồi (Pilot injection)' một lượng nhỏ trước khi phun chính, giúp rút ngắn thời gian cháy trễ, giảm tiếng gõ Diesel và giảm NOx.

Thiết bị xử lý khí xả Diesel gồm bộ lọc 'DPF' giữ lại các hạt muội mịn (PM) rồi đốt sạch định kỳ, và hệ thống 'SCR urê' phun dung dịch nước urê vào ống xả tạo khí amoniac (NH₃) để khử NOx thành khí nitơ (N₂) và nước (H₂O) vô hại.

Điểm cần nhớ


  • NOx sinh ra càng nhiều khi nhiệt độ cháy 'càng cao'; ở vùng hòa khí giàu hơn tỷ lệ lý thuyết thì NOx giảm nhưng CO và HC tăng.

  • Xúc tác 3 thành phần làm sạch đồng thời CO, HC, NOx quanh 'tỷ lệ lý thuyết (14,7 : 1)'; EGR làm giảm nhiệt độ cháy để giảm NOx.

  • Phun mồi (Pilot injection) trong Common rail giúp giảm cháy trễ; DPF lọc và đốt muội PM; SCR urê dùng amoniac khử NOx.
Từ vựngNghĩa
tỷ lệ không khí - nhiên liệu lý thuyết và xúc tác 3 thành phần
hệ thống tuần hoàn khí xả (EGR)
hệ thống Common rail và phun mồi (Pilot injection)
bộ lọc muội DPF và hệ thống khử NOx bằng urê (SCR)

Điểm hay ra thi & cách nhớ

Các bẫy rất hay gặp: 'Ma sát piston + dẫn động bơm nước/máy phát = Tổn thất cơ giới (không phải tổn thất nhiệt)', 'Crush height của bạc biên quá lớn gây võng và tải cục bộ (không phải quá nhỏ)', và 'Xéc-măng dầu làm bằng thép cacbon (nói gang đặc biệt là sai)'.

Bài toán góc quay thứ tự nổ '1―3―4―2': Nhớ quy tắc 'Cứ 180° chuyển sang máy kế tiếp theo vòng 1→3→4→2; quay 360° thì ĐCT nén đổi thành ĐCT trùng điệp'. Do đó quay 540° (= 180° + 360°) từ máy 4 ở ĐCT nén sẽ đưa máy kế tiếp là 'máy 2' lên ĐCT trùng điệp!

Ngoài ra hãy thuộc lòng: 'NOx tăng khi nhiệt độ cháy CAO (nói thấp là sai)', 'Siêu nạp kiểu Roots 2 cánh mỗi vòng quay rô-to hút-đẩy 4 lần (nói 1 lần là sai)', và 'VVT giữ nguyên góc mở cam, chỉ xoay pha trục cam'.

Điểm cần nhớ


  • Áp suất có ích trung bình = Công 1 chu trình ÷ Thể tích công tác / Ma sát & dẫn động phụ tải là 'Tổn thất cơ giới'.

  • Crush height quá lớn = bạc bị võng, tải cục bộ / Độ căng (Spread) = chống quặp mép bạc vào trong / Xéc-măng dầu = Thép cacbon.

  • Vùng Squish: Khe hở càng nhỏ vận tốc xoáy càng nhanh, rút ngắn thời gian cháy để chống kích nổ.

  • Quay 540° với thứ tự nổ 1―3―4―2: Máy 4 từ ĐCT nén quay 540° thì Máy 2 nằm ở ĐCT trùng điệp xupap.

  • NOx tăng khi nhiệt độ cháy cao / Siêu nạp Roots 2 cánh hút-đẩy 4 lần/vòng / Torsional damper hấp thụ 'dao động xoắn'.
Từ vựngNghĩa
tổn thất cơ giới và tổn thất nhiệt
độ nhô của bạc biên (Crush height)
Điểm chết trên trùng điệp xupap
bộ siêu nạp kiểu Roots 2 cánh

Động cơ: cấu tạo & tính năng

Luyện câu hỏi chương này trong app

Tài liệu tham khảo chính thức

💬

Zalo