VIENIDMY Đăng nhập Vào luyện thi

Trang chủ › Giáo trình › Bảo dưỡng ô tô

Cấu tạo và chức năng của động cơ (Xăng và Diesel)

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

Kỳ hoạt động cơ bản của động cơ 4 kỳ và sự khác biệt giữa động cơ xăng - diesel

Động cơ 4 kỳ (4-cycle engine) phổ biến trên ô tô hoàn thành 1 chu trình công tác qua 4 hành trình: Nạp (hút), Nén, Cháy (giãn nở - sinh công) và Xả. Trong khi pít-tông chuyển động tịnh tiến 2 lần lên xuống (4 hành trình) giữa điểm chết trên (TDC) và điểm chết dưới (BDC), trục khuỷu (crankshaft) quay 2 vòng (720°) và trục cam (camshaft) quay 1 vòng (360°).

Ở kỳ nạp, xu-páp nạp (intake valve) mở và pít-tông đi xuống. Ở kỳ nén, cả hai xu-páp đều đóng và pít-tông đi lên; sang kỳ cháy (giãn nở), khí cháy áp suất cao đẩy pít-tông đi xuống để sinh công. Ở kỳ xả, xu-páp xả (exhaust valve) mở và pít-tông đi lên đẩy khí thải ra ngoài.

Ngược lại, động cơ 2 kỳ hoàn thành 1 chu trình sau mỗi 1 lần pít-tông lên xuống (2 hành trình) và 1 vòng quay trục khuỷu (360°). Thể tích pít-tông quét từ điểm chết trên xuống điểm chết dưới gọi là dung tích xi-lanh (dung tích công tác), còn khoảng không gian phía trên đỉnh pít-tông tại điểm chết trên gọi là dung tích buồng cháy.

Động cơ xăng hút hòa khí gồm không khí và xăng (hoặc phun xăng trực tiếp vào xi-lanh), nén lại rồi đốt cháy bằng tia lửa điện của bu-gi (spark plug). Ngược lại, động cơ diesel chỉ hút không khí thuần túy rồi nén ở áp suất cao, sau đó phun nhiên liệu dầu diesel áp suất cao vào luồng không khí nóng để nhiên liệu tự bốc cháy (tự kích nổ).

Do đó, động cơ diesel không có bu-gi đánh lửa và có tỷ số nén (khoảng 15 đến 22) cao hơn rất nhiều so với động cơ xăng (khoảng 9 đến 11). Ngoài ra, động cơ xăng điều chỉnh công suất bằng bướm ga (throttle valve) thay đổi lượng khí nạp, còn động cơ diesel chủ yếu điều chỉnh công suất bằng lượng nhiên liệu phun vào.

Kỳ hoạt động cơ bản của động cơ 4 kỳ và sự khác biệt giữa động cơ xăng - diesel

Điểm cần nhớ


  • Động cơ 4 kỳ hoàn thành 1 chu trình qua 4 hành trình Nạp → Nén → Cháy (giãn nở) → Xả; trục khuỷu quay 2 vòng (720°) thì trục cam quay 1 vòng (360°)

  • Động cơ xăng đốt cháy hòa khí bằng tia lửa điện của bu-gi, còn động cơ diesel chỉ hút không khí, nén áp suất cao rồi phun dầu diesel để tự bốc cháy

  • Tỷ số nén = (Dung tích buồng cháy + Dung tích công tác 1 xi-lanh) ÷ Dung tích buồng cháy; Tổng dung tích xi-lanh = Dung tích 1 xi-lanh × Số xi-lanh

  • Ví dụ: Trong động cơ 4 kỳ, khi trục khuỷu quay 10 vòng (hoặc 2.000 rpm) thì trục cam quay một nửa là 5 vòng (1.000 rpm) và mỗi xi-lanh thực hiện 5 lần cháy sinh công

  • Ví dụ: Động cơ 4 xi-lanh có dung tích 1 xi-lanh là 450 cm³ và dung tích buồng cháy là 50 cm³ thì tổng dung tích = 450 × 4 = 1.800 cm³ (1,8 L), tỷ số nén = (50 + 450) ÷ 50 = 10
Từ vựngNghĩa
Điểm chết trên (TDC) và Điểm chết dưới (BDC)
Trục khuỷu (crankshaft)
Trục cam (camshaft)
Tự bốc cháy (self-ignition)
Tỷ số nén (compression ratio)

Các chi tiết chính của thân động cơ (Xi-lanh, Pít-tông, Cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền)

Thân động cơ cấu tạo gồm nắp máy (cylinder head) ở phía trên, thân máy (cylinder block) ở giữa và các-te dầu (oil pan) ở phía dưới.

Giữa bề mặt lắp ghép của nắp máy và thân máy có đệm nắp máy (cylinder head gasket) nhằm ngăn rò rỉ khí cháy, nước làm mát và dầu động cơ.

Pít-tông (piston) là chi tiết nhận trực tiếp áp suất khí cháy để chuyển động tịnh tiến qua lại trong xi-lanh; để bù trừ giãn nở nhiệt, đường kính phần thân (skirt) được chế tạo lớn hơn phần đỉnh một chút và có tiết diện hình bầu dục (oval) ngắn hơn theo phương chốt pít-tông. Pít-tông liên kết với thanh truyền qua chốt pít-tông (piston pin).

Các rãnh vòng quanh pít-tông được lắp xéc-măng (piston ring). Xéc-măng khí (compression ring) ở phía trên có nhiệm vụ giữ kín khí buồng cháy và truyền nhiệt từ pít-tông ra thành xi-lanh, còn xéc-măng dầu (oil ring) ở phía dưới gạt bớt dầu thừa trên thành xi-lanh để tạo màng dầu bôi trơn thích hợp.

Thanh truyền (connecting rod) và trục khuỷu là cơ cấu biến đổi chuyển động tịnh tiến qua lại của pít-tông thành chuyển động quay tròn. Bánh đà (flywheel) lắp ở đuôi trục khuỷu dùng lực quán tính quay để giảm độ rung giật (dao động tốc độ quay), giúp động cơ quay êm dịu.

Các chi tiết chính của thân động cơ (Xi-lanh, Pít-tông, Cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền)

Điểm cần nhớ


  • Thanh truyền (connecting rod) và trục khuỷu biến đổi chuyển động tịnh tiến của pít-tông thành chuyển động quay tròn

  • Xéc-măng khí giữ kín khí cháy và tản nhiệt cho pít-tông, còn xéc-măng dầu gạt dầu thừa và duy trì màng dầu trên thành xi-lanh

  • Bánh đà (flywheel) dùng quán tính quay để làm đều tốc độ quay của trục khuỷu; vành răng ngoài của bánh đà ăn khớp với bánh răng bendix của máy khởi động
Từ vựngNghĩa
Nắp máy / nắp quy-lát (cylinder head)
Xéc-măng (piston ring)
Thanh truyền / tay biên (connecting rod)
Bánh đà (flywheel)

Cơ cấu phân phối khí và khe hở nhiệt xu-páp (valve clearance)

Cơ cấu phân phối khí truyền chuyển động quay từ trục khuỷu lên trục cam qua xích cam hoặc đai cam (timing belt) để đóng mở xu-páp nạp và xu-páp xả đúng thời điểm. Số răng (đường kính pu-li) của trục cam gấp 2 lần trục khuỷu nên trục cam quay với tốc độ bằng 1/2 trục khuỷu.

Kiểu bố trí trục cam nằm trên nắp máy gọi là OHC (Over Head Camshaft), còn kiểu có 2 trục cam riêng biệt cho bên nạp và bên xả gọi là DOHC (Double Over Head Camshaft). Xu-páp được vấu cam đẩy mở ra và được đóng kín lại nhờ lực căng của lò xo xu-páp (valve spring).

Ở lân cận điểm chết trên từ cuối kỳ xả sang đầu kỳ nạp, có một khoảng thời gian cả xu-páp nạp và xu-páp xả đều mở đồng thời, gọi là góc trùng điệp xu-páp (valve overlap). Hiện tượng này tận dụng quán tính của dòng khí xả để nâng cao hiệu suất nạp khí mới.

Ngoài ra, khi động cơ nóng lên, thân xu-páp giãn nở dài ra nên phải chừa lại một khoảng khe hở nhiệt (valve clearance) giữa đuôi xu-páp và cò mổ (hoặc con đội) để xu-páp vẫn đóng kín hoàn toàn khi nóng. Nếu khe hở quá lớn sẽ gây tiếng gõ, còn nếu quá nhỏ sẽ làm xu-páp đóng không kín khi máy nóng và gây mất áp suất nén.

Điểm cần nhớ


  • Xu-páp được mở ra nhờ vấu cam trên trục cam và được đóng lại nhờ lực đàn hồi của lò xo xu-páp

  • Góc trùng điệp xu-páp (valve overlap) là khoảng thời gian ở lân cận điểm chết trên cuối kỳ xả - đầu kỳ nạp mà cả xu-páp nạp và xu-páp xả cùng mở

  • Khe hở xu-páp (valve clearance) giúp tránh hiện tượng đội xu-páp (đóng không kín) khi giãn nở nhiệt; thông thường khe hở bên xu-páp xả (nóng hơn) được đặt lớn hơn bên xu-páp nạp
Từ vựngNghĩa
Cơ cấu phân phối khí (valve mechanism)
Lò xo xu-páp (valve spring)
Trùng điệp xu-páp (valve overlap)
Khe hở nhiệt xu-páp (valve clearance)

Cháy bất thường (Kích nổ knocking, Cháy sớm pre-ignition, Gõ diesel)

Khi động cơ xăng cháy bình thường, màng lửa từ bu-gi lan truyền đều khắp buồng cháy. Tuy nhiên, nếu thời điểm đánh lửa quá sớm hoặc áp suất - nhiệt độ nén quá cao, phần hòa khí chưa cháy ở cuối buồng cháy sẽ tự bốc cháy trước khi màng lửa tới nơi, gây dao động áp suất dữ dội và tiếng gõ kim loại lanh canh. Hiện tượng này gọi là kích nổ (knocking / detonation).

Ngoài ra, nếu muội than tích tụ trong buồng cháy hoặc điện cực bu-gi quá nhiệt trở thành nguồn nhiệt làm hòa khí tự bắt lửa trước khi bu-gi bật tia lửa điện thì gọi là cháy sớm (pre-ignition).

Chỉ số biểu thị khả năng chống kích nổ của xăng gọi là trị số ốc-tan (octane number); trị số ốc-tan càng cao thì càng ít xảy ra kích nổ.

Ngược lại, trong động cơ diesel, dầu diesel phun vào không cháy ngay lập tức mà cần một khoảng thời gian ngắn để bay hơi và hòa trộn với không khí trước khi tự bốc cháy, gọi là thời gian cháy trễ (ignition delay). Nếu thời gian cháy trễ quá dài, lượng lớn nhiên liệu tích tụ trong giai đoạn đó sẽ bùng cháy đồng loạt gây tiếng gõ và rung động mạnh, gọi là gõ diesel (diesel knock).

Trái ngược với kích nổ ở động cơ xăng, gõ diesel dễ xảy ra khi động cơ còn nguội (mới khởi động hoặc tải nhỏ) hoặc khi áp suất nén thấp. Đại lượng chỉ khả năng tự bắt lửa của dầu diesel là trị số xê-tan (cetane number); trị số xê-tan càng cao thì thời gian cháy trễ càng ngắn và càng ít bị gõ diesel.

Điểm cần nhớ


  • Kích nổ ở động cơ xăng (knocking) là sự tự phát hỏa của phần hòa khí cuối buồng cháy; xăng có trị số ốc-tan càng cao thì càng khó bị kích nổ

  • Cháy sớm (pre-ignition) là hiện tượng hòa khí bị đốt cháy trước thời điểm bu-gi đánh lửa do điện cực bu-gi quá nhiệt hoặc muội than nóng đỏ

  • Gõ diesel (diesel knock) xảy ra do lượng nhiên liệu phun vào trong thời gian cháy trễ bốc cháy đồng loạt, dễ xảy ra khi máy nguội và giảm đi khi dùng dầu diesel có trị số xê-tan cao
Từ vựngNghĩa
Kích nổ (knocking)
Cháy sớm (pre-ignition)
Trị số ốc-tan (octane number)
Gõ diesel (diesel knock)
Trị số xê-tan (cetane number)

Cấu tạo và chức năng của hệ thống bôi trơn và hệ thống làm mát

Hệ thống bôi trơn hút dầu động cơ từ các-te qua lưới lọc thô (oil strainer), dùng bơm dầu (kiểu trochoid hoặc kiểu bánh răng) đẩy qua bầu lọc dầu (oil filter) rồi cấp tới các chi tiết chuyển động.

Trên bơm dầu có van giới hạn áp suất (pressure relief valve) để ngăn áp suất dầu tăng quá cao, còn trong bầu lọc dầu có van an toàn (bypass valve) sẽ mở ra khi lõi lọc bị tắc để đưa dầu đi thẳng tới động cơ nhằm tránh bó kẹt cháy máy.

Hệ thống làm mát dùng bơm nước (water pump) tuần hoàn nước làm mát (LLC) qua áo nước quanh xi-lanh rồi đưa ra két nước (radiator) để tản nhiệt.

Giữa động cơ và két nước có van hằng nhiệt (thermostat kiểu sáp giãn nở): khi máy nguội van đóng lại không cho nước qua két nước để hâm nóng máy nhanh, khi nước nóng lên van mở ra cho nước chảy qua két nước để làm mát.

Nắp két nước (radiator cap) có 2 van. Van áp suất (pressure valve) giữ hệ thống làm mát ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển, giúp nâng nhiệt độ sôi của nước làm mát lên trên 100°C (khoảng 110 đến 120°C) để chống sôi nước.

Van chân không (vacuum valve) sẽ mở ra khi động cơ dừng và nước làm mát nguội đi tạo áp suất âm trong két nước, giúp hút nước từ bình phụ (reservoir tank) trở lại két nước để tránh làm móp ống nước và két nước.

Cấu tạo và chức năng của hệ thống bôi trơn và hệ thống làm mát

Điểm cần nhớ


  • Van nối tắt (bypass valve) trong bầu lọc dầu sẽ mở ra khi lõi lọc bị tắc, cho phép dầu đi thẳng vào động cơ mà không qua lọc để chống bó máy

  • Van hằng nhiệt (thermostat) đóng khi máy nguội để hâm nóng máy nhanh và mở khi máy nóng để đưa nước ra két nước (kẹt đóng gây quá nhiệt overheat, kẹt mở gây làm mát quá mức overcool)

  • Van áp suất của nắp két nước tăng áp để nâng điểm sôi lên trên 100°C, còn van chân không chống móp két nước và ống cao su khi nước nguội đi
Từ vựngNghĩa
Bầu lọc dầu (oil filter)
Van giới hạn áp suất (pressure relief valve)
Van hằng nhiệt (thermostat)
Nắp két nước (radiator cap)

Hệ thống nhiên liệu (Xăng, Diesel) và Hệ thống nạp - xả - tăng áp

Trong hệ thống phun xăng điện tử (EFI), bơm nhiên liệu trong bình xăng hút xăng đẩy qua lọc nhiên liệu và bộ điều áp (pressure regulator) để giữ áp suất nhiên liệu không đổi. Sau đó ECU điều khiển thời gian mở kim phun điện từ (injector) để điều chỉnh lượng xăng phun.

Trong hệ thống phun dầu điện tử Common Rail của động cơ diesel, bơm cao áp (supply pump) nén dầu diesel ở áp suất cực cao tích trữ vào ống phân phối chung (common rail), rồi kim phun điện tử phun tơi thành sương mịn vào buồng cháy.

Ngoài ra, bầu lọc nhiên liệu diesel có bộ tách nước (sedimenter), và trong buồng cháy có bu-gi sấy (glow plug) giúp sưởi nóng không khí để hỗ trợ khởi động khi trời lạnh.

Ở hệ thống nạp và xả, bầu lọc gió (air cleaner) giữ lại bụi bẩn trong không khí nạp, còn ống giảm thanh (muffler) làm giảm dần áp suất và nhiệt độ của dòng khí xả để giảm tiếng ồn.

Bộ tăng áp tua-bin khí xả (turbocharger) tận dụng năng lượng dòng khí xả làm quay bánh tua-bin tốc độ cao, kéo bánh máy nén cùng trục để nén không khí nạp vào xi-lanh. Không khí bị nóng lên sau khi nén sẽ đi qua két làm mát khí nạp (intercooler) để hạ nhiệt độ, tăng mật độ không khí và nâng cao hiệu suất nạp.

Điểm cần nhớ


  • Kim phun (injector) của hệ thống xăng EFI điều chỉnh lượng nhiên liệu phun bằng cách thay đổi thời gian mở van kim (thời gian cấp điện) trong khi giữ áp suất nhiên liệu ổn định

  • Bu-gi sấy (glow plug) trên động cơ diesel có nhiệm vụ đốt nóng buồng cháy khi khởi động lạnh để giúp dầu diesel dễ tự bốc cháy

  • Turbocharger dùng năng lượng khí xả quay tua-bin để nén khí nạp, còn intercooler làm mát luồng khí nạp đã bị nóng lên do nén
Từ vựngNghĩa
Kim phun nhiên liệu (injector)
Ống phân phối áp suất cao (common rail)
Bu-gi sấy (glow plug)
Bộ tăng áp khí xả (turbocharger)
Két làm mát khí nạp (intercooler)

Hệ thống xử lý khí thải (Xúc tác 3 thành phần, EGR, PCV, DPF)

Các chất độc hại chính trong khí thải ô tô gồm khí các-bon mô-nô-xít (CO), hi-đrô-các-bon (HC), ô-xít ni-tơ (NOx) và hạt muội mịn (PM) ở xe diesel. Bộ xúc tác 3 thành phần (three-way catalyst) trên xe xăng đồng thời ô-xy hóa CO và HC thành CO2 và H2O, đồng thời khử NOx thành khí N2 vô hại.

Bộ xúc tác 3 thành phần chỉ làm sạch đồng thời cả 3 chất với hiệu suất cao nhất khi tỷ lệ khối lượng không khí / xăng nằm quanh tỷ lệ hòa khí lý thuyết (khoảng 14,7 : 1). Vì vậy, cảm biến ô-xy (O2 sensor) hoặc cảm biến tỷ lệ hòa khí trên đường ống xả sẽ đo nồng độ ô-xy để ECU điều khiển phản hồi lượng xăng phun.

Hệ thống tuần hoàn khí xả (EGR) đưa một phần khí xả quay lại đường ống nạp nhằm hạ thấp nhiệt độ cháy cực đại, qua đó giảm sự hình thành khí NOx (vốn sinh ra nhiều ở nhiệt độ cao). Trên xe diesel, bầu lọc hạt muội (DPF) giữ lại muội than (PM) và đốt sạch ở nhiệt độ cao (tái sinh bầu lọc).

Ngoài ra, khí lọt (blow-by gas chứa nhiều HC) lọt qua khe hở giữa pít-tông và xi-lanh xuống các-te sẽ được đưa qua van PCV trở lại đường nạp để đốt lại. Hơi xăng bay hơi từ bình nhiên liệu (evaporative gas) được hấp thụ vào than hoạt tính trong bình charcoal canister rồi đưa vào đường nạp đốt cháy khi xe chạy.

Điểm cần nhớ


  • Bộ xúc tác 3 thành phần làm sạch đồng thời CO, HC (ô-xy hóa) và NOx (khử) hiệu quả nhất ở lân cận tỷ lệ hòa khí lý thuyết (14,7 : 1)

  • Hệ thống tuần hoàn khí xả (EGR) đưa một phần khí xả vào đường nạp để hạ nhiệt độ cháy, từ đó làm giảm lượng khí NOx sinh ra

  • Hệ thống thông gió các-te tích cực (PCV) đưa khí lọt (blow-by gas) về đường nạp, còn bình than hoạt tính (charcoal canister) hấp thụ hơi xăng từ bình nhiên liệu để đưa vào buồng cháy
Từ vựngNghĩa
Bộ xúc tác 3 thành phần (three-way catalyst)
Tỷ lệ hòa khí lý thuyết (14,7 : 1)
Khí lọt xuống các-te (blow-by gas)
Bình than hoạt tính (charcoal canister)

Các điểm hay ra thi và mẹo ghi nhớ

Trong đề thi lý thuyết Đúng/Sai, tỷ lệ vòng quay giữa trục khuỷu và trục cam rất hay bị tráo ngược. Hãy nhớ kỹ tổ hợp: 1 chu trình 4 kỳ = trục khuỷu quay 2 vòng (720°) = trục cam quay 1 vòng (360°), để lập tức nhận ra câu bẫy nói trục khuỷu quay 1 vòng thì trục cam quay 2 vòng là Sai.

Khi so sánh xăng và diesel: Động cơ xăng = hút hòa khí, đánh lửa bằng bu-gi, trị số ốc-tan, tỷ số nén thấp (9 đến 11); ngược lại Động cơ diesel = chỉ hút không khí, phun dầu áp suất cao tự cháy, trị số xê-tan, tỷ số nén cao (15 đến 22), dễ bị gõ diesel khi máy nguội.

Ở hệ thống làm mát và bôi trơn, cần phân biệt chính xác vai trò từng van: Van hằng nhiệt (thermostat) = đóng khi máy nguội (giúp nóng máy nhanh), mở khi máy nóng. Nắp két nước = van áp suất giúp nâng nhiệt độ sôi lên trên 100°C, van chân không chống móp ống nước khi nguội.

Về xử lý khí thải, không được nhầm lẫn 4 cặp: Xúc tác 3 thành phần = tỷ lệ hòa khí lý thuyết 14,7 xử lý CO, HC, NOx; EGR = hạ nhiệt độ cháy để giảm NOx; PCV = xử lý khí lọt các-te (blow-by gas); Charcoal canister = xử lý hơi xăng bay hơi từ bình nhiên liệu.

Điểm cần nhớ


  • Động cơ 4 kỳ: trục khuỷu quay 2 vòng (720°) thì trục cam quay 1 vòng (360°); cẩn thận câu bẫy đảo ngược hai trục

  • Xăng = đánh lửa bu-gi, trị số ốc-tan, tỷ số nén 9 đến 11 / Diesel = chỉ hút không khí, tự cháy, trị số xê-tan, tỷ số nén 15 đến 22, gõ khi máy nguội

  • Van hằng nhiệt đóng khi máy nguội để hâm nóng nhanh / Van áp suất nắp két nước nâng điểm sôi lên trên 100°C

  • Van nối tắt (bypass valve) trong lọc dầu mở ra khi lõi lọc tắc để cấp dầu trực tiếp chống bó máy

  • Xúc tác 3 thành phần = hòa khí lý thuyết 14,7 / EGR = hạ nhiệt độ cháy giảm NOx / PCV = khí lọt blow-by / Canister = hơi xăng bình nhiên liệu
Từ vựngNghĩa
Hâm nóng máy (warm-up)
Nhiệt độ sôi / điểm sôi (boiling point)
Van nối tắt / van an toàn lọc dầu (bypass valve)

Động cơ xăng & diesel: cấu tạo, chức năng

Luyện câu hỏi chương này trong app

Tài liệu tham khảo chính thức

💬

Zalo