Lịch sử và phát triển của Động cơ Đốt trong trên Ô tô

Động cơ Diesel có hiệu suất nhiệt, tiết kiệm nhiên liệu hơn và có mô-men xoắn đầu ra cao hơn so với bất kỳ động cơ đốt trong nào khác, khiến loại động cơ này trở nên lý tưởng cho các ứng

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT

1 Lịch sử và phát triển của động cơ đốt trong trên ô tô

1.1 Nguồn gốc và tiền thân

Khái niệm khai thác năng lượng để tạo ra chuyển động đã có trước động cơ đốt trong hàng thế kỷ Các nền văn minh cổ đại, như Hy Lạp và Ai Cập, đã phát triển các thiết

bị sơ khai sử dụng khí nén hoặc hơi nước để tạo ra chuyển động

Hình ảnh 1.1: thiết bị chạy bằng hơi nước xuất hiện từ thế kỷ thứ nhất sau Công

Nguyên

Vào thế kỷ thứ nhất sau Công nguyên, nhà toán học và kỹ sư có tên Hero của xứ Alexandria, Ai Cập đã tạo ra một thiết bị chạy bằng hơi nước có thể quay do lực thoát

ra của hơi nước, gọi là "Aeolipile" Tuy nhiên, những tiền thân ban đầu này không đủ thực tế hoặc hiệu quả để được coi là động cơ đốt trong thực sự

Những năm đầu

Sự phát triển của động cơ đốt trong đã đạt được đà phát triển vào thế kỷ 19 khi các nhà phát minh tìm cách khai thác sức mạnh của các vụ nổ có kiểm soát Một trong những người tiên phong đầu tiên là Joseph Nicéphore Niépce, một kỹ sư người Pháp, người đã phát triển động cơ đốt trong đời đầu có tên gọi "Pyréolophore" vào năm 1807

Hình ảnh 1.2: Động cơ đốt trong Pyréolophore

Động cơ này sử dụng hỗn hợp bột Lycopodium, bụi than nghiền mịn và nhựa làm nhiên liệu, được đốt cháy bằng tia lửa điện Mặc dù không thành công về mặt thương mại nhưng nó đã đặt nền móng cho những tiến bộ của sự phát triển động cơ đốt trong trong tương lai

Động cơ đốt trong thực tế đầu tiên

Vào những năm 1860, Étienne Lenoir, một kỹ sư người Bỉ gốc Pháp, đã được cấp bằng sáng chế cho động cơ đốt trong thực tế đầu tiên sử dụng khí than và không khí làm nhiên liệu, hoạt động theo nguyên lý hai kỳ Động cơ hơi nước của Lenoir đã được thương mại hóa với số lượng đủ để được coi là một thành công, lần đầu tiên đối với động cơ đốt trong

Hình ảnh 1.3: Động cơ đốt trong Lenoir thực sự đầu tiên được thương mại hóa.

Mặc dù động cơ này đã đạt được thành công hạn chế, chủ yếu trong các ứng dụng cố định

và đánh dấu một bước tiến đáng kể trong việc phát triển động cơ, tuy nhiên chúng có hiệu quả thấp và không phù hợp để sử dụng rộng rãi

Động cơ bốn thì

Bước đột phá thực sự trong công nghệ động cơ đốt trong xuất hiện vào năm 1876 khi Nikolaus Otto, một kỹ sư người Đức, phát triển động cơ đốt trong bốn thì thực tế đầu tiên Được biết đến với cái tên "động cơ Otto", động cơ này sử dụng hỗn hợp nhiên liệu

và không khí, được đánh lửa bằng bugi

Hình ảnh 1.4: Động cơ Otto 4 thì được trưng bày tại bảo tàng tại Tokyo

Động cơ của Otto giới thiệu chu trình bốn thì gồm nạp, nén, nổ và xả, tạo ra nền tảng cho động cơ xăng hiện đại Hiệu suất và độ tin cậy được cải thiện của động cơ Otto đã khiến nó trở thành động cơ thay đổi cuộc chơi trong ngành công nghiệp toàn cầu

1.2 Sự ra đời của ô tô hiện đại

Trong khi động cơ của Nikolaus Otto đã tạo ra cuộc cách mạng hóa cho ngành công nghiệp thì chính Karl Benz, một nhà phát minh người Đức, lại là người đã ứng dụng động

cơ đốt trong vào giao thông vận tải Năm 1885, Benz phát triển ô tô chạy bằng xăng, sử dụng động cơ của Otto

Hình ảnh 1.5: Karl Benz phát minh ra chiếc xe ô tô chạy bằng xăng đầu tiên

Phát minh này được coi là sự ra đời của những mẫu ô tô hiện đại Sự sáng tạo của Benz không chỉ khơi dậy một cuộc cách mạng về giao thông vận tải, cho phép việc đi lại nhanh hơn, thuận tiện hơn, mà còn mở đường cho những tiến bộ trong tương lai của ngành công nghiệp ô tô

Sự phát triển của động cơ vào đầu thế kỷ 20

Hình ảnh 1.6: Động cơ Diesel áp dụng rộng rãi trong ngành vận tải hạng nặng.

Đầu thế kỷ 20, chúng ta được chứng kiến những tiến bộ đáng kể trong công nghệ động cơ đốt trong Năm 1892, Rudolf Christian Karl Diesel, một nhà phát minh và kỹ sư cơ khí nổi tiếng người Đức, đã giới thiệu động cơ Diesel dựa vào đánh lửa được tạo ra từ quá trình nén không khí cơ học trong xi lanh thay vì bugi

Động cơ Diesel có hiệu suất nhiệt, tiết kiệm nhiên liệu hơn và có mô-men xoắn đầu ra cao hơn so với bất kỳ động cơ đốt trong nào khác, khiến loại động cơ này trở nên lý tưởng cho các ứng dụng tải nặng Động cơ Diesel được sử dụng trong máy móc công nghiệp, tàu thủy và đầu máy xe lửa Vào những năm 1930, chúng dần dần bắt đầu được

sử dụng trong một số ô tô

Những tiến bộ vào giữa thế kỷ 20

Giữa thế kỷ 20, nhân loại tiếp tục được chứng kiến một loạt tiến bộ trong công nghệ động

cơ đốt trong Một trong những bước đột phá quan trọng nhất là sự ra đời của hệ thống phun xăng điện tử (EFI)

Hình ảnh 1.7: Một động cơ phun xăng điện tử EFI lắp trên xe Toyota.

Năm 1952, Tập đoàn Bendix giới thiệu Electrojector, hệ thống phun xăng điện tử thương mại đầu tiên Hệ thống EFI cho phép kiểm soát chính xác việc cung cấp nhiên liệu, giúp cải thiện hiệu suất, tiết kiệm nhiên liệu và giảm lượng khí thải

Một bước phát triển quan trọng khác là việc áp dụng công nghệ tăng áp vào động cơ đốt trong Bộ tăng áp, sử dụng khí thải để dẫn động tua-bin và đẩy nhiều không khí hơn vào buồng đốt, giúp tăng công suất động cơ lên đáng kể

2 Phân loại và Ưu Nhược Điểm của Các Loại Động Cơ

2.1 Động cơ xăng:

2.1.1 Động cơ xăng là gì?

Động cơ xăng là dòng động cơ đốt trong và sử dụng xăng làm nhiên liệu Động cơ này sẽ đốt cháy xăng để biến đổi nhiệt năng thành cơ năng hay mô men xoắn Nó thường được

sử dụng làm động cơ cho ô tô, máy bay, máy móc di động và các loại tàu thuyền nhỏ Nhiên liệu sẽ được đốt cháy trong buồng đốt nhờ hệ thống đánh lửa tắt mở theo chu kỳ

2.1.2 Cấu tạo động cơ xăng

Động cơ xăng gồm 7 phần chính là bugi, xi lanh, trục khuỷu, trục cam, van hay còn gọi là xupap, hệ thống làm mát và hệ thống nạp nhiên liệu Mỗi bộ phận của động cơ sẽ đảm nhận một nhiệm vụ riêng biệt, trong đó:

 Bugi là thiết bị giúp tạo nên tia lửa ở cuối kỳ nén để tiến hành quá trình đốt ở trong buồng cháy của động cơ Nếu như bugi ngưng hoạt động thì nhiệt năng sẽ không được sinh ra

 Xi lanh chính là bộ phận quan trọng nhất trong động cơ, nơi đây sẽ giúp cho các piston hoạt động

 Trục khuỷu có công dụng tiếp nhận lực đẩy từ thanh truyền và sau đó truyền cho bánh đà

 Trục cam thuộc bộ phận của xupap, nó hoạt động cùng với chức năng đóng mở

và xả khí Tại kỳ cuối của chu trình, trục cam sẽ mở ra và xả các khí thải từ động cơ ra ngoài

 Xupap có nhiệm vụ điều khiển van xả và hút đóng mở theo một kỳ cộng, thực hiện việc thoát khí nén ra ngoài Trong một kỳ nén và đốt các van của xupap sẽ đóng kín lại, 2 kỳ sau sẽ mở ra để thải khí ra môi trường ngoài

Hình ảnh 1.8: Xupap có công dụng điều khiển van xả có thể đóng mở theo chu kỳ

 Hệ thống làm mát gồm bơm nước, bộ tản nhiệt có nhiệt, cảm biến nhiệt độ và các ống dẫn Theo đó nước sẽ được đưa vào hệ thống và luân chuyển trong động cơ, cuối cùng là ra đến két để làm mát

 Hệ thống nạp nhiên liệu có công dụng cung cấp hỗn hợp gồm không khí và xăng vào xi lanh

2.1.3 Ưu và nhược điểm của động cơ xăng:

Ưu điểm của động cơ xăng:

Tiếng ồn thấp: Động cơ xăng thường hoạt động êm ái hơn so với các loại động cơ khác như động cơ diesel, tạo ra trải nghiệm lái xe mềm mại và êm dịu hơn cho người lái và hành khách

Hiệu suất tăng tốc tốt: Động cơ xăng thường có khả năng tăng tốc tốt hơn so với các loại động cơ khác, giúp xe di chuyển nhanh chóng và linh hoạt trong giao thông đô thị và trên đường cao tốc

Dễ bảo dưỡng: Động cơ xăng thường đơn giản hơn và ít phức tạp hơn động cơ diesel, giúp dễ dàng thực hiện các công việc bảo dưỡng định kỳ như thay dầu nhớt, lọc gió và kiểm tra hệ thống điện

Sạch hơn và ít khí thải: So với động cơ diesel, động cơ xăng thường sản xuất ít khí thải hơn, góp phần vào việc giảm lượng ô nhiễm không khí

Nhược điểm của động cơ xăng:

Tiêu thụ nhiên liệu cao hơn: Động cơ xăng thường tiêu tốn nhiều nhiên liệu hơn so với các loại động cơ khác như động cơ diesel, làm tăng chi phí vận hành của xe

Công suất thấp ở tốc độ thấp: Động cơ xăng thường có mô-men xoắn thấp ở tốc độ thấp, điều này có thể làm cho việc khởi động từ điểm dừng trở nên chậm chạp, đặc biệt khi xe tải hoặc xe chở nặng

Không thích hợp cho chạy xa: Do tiêu thụ nhiên liệu cao hơn và công suất thấp ở tốc độ thấp, động cơ xăng thường không phù hợp cho các hành trình chạy xa hoặc vận chuyển hàng hóa nặng

2.2 Động cơ diesel:

2.2.1 Động cơ diesel là gì?

Động cơ Diesel là một loại động cơ đốt trong, khác với động cơ xăng (hay động cơ Otto)

Sự cháy của nhiên liệu, tức dầu diesel, xảy ra trong buồng đốt khi piston đi tới gần điểm chết trên trong kỳ nén, là sự tự cháy dưới tác động của nhiệt độ và áp suất cao của không khí nén Động cơ Diesel sử dụng nhiên liệu là dầu Diesel, không có bugi đánh lửa, động

cơ sinh công nhờ quá trình nén hỗn hợp nhiên liệu và không khí trong xi lanh

2.2.2 Cấu tạo của động cơ diesel:

Hệ thống nhiên liệu của máy nổ chạy dầu diesel bao gồm 5 thành phần:

Bình chứa nhiên liệu (The Fuel Rank): Là thành phần lưu trữ và cung cấp nhiên liệu cho

động cơ Nó được thiết kế để đáp ứng nhu cầu sử dụng trong một khoảng thời gian hợp

lý Tất cả các bình chứa nhiên liệu đều có nắp đậy để đảm bảo chúng không bị nhiễm bẩn, có các lỗ thông hơi để thoát khí và thay nhiên liệu đang sử dụng Ngoài ra, bình nhiên liệu có thiết kế ba lỗ mở để đổ xăng, xả nhiên liệu và thoát nước

Đường dẫn nhiên liệu (The Fuel Lines): Có ba loại đường nhiên liệu trong động cơ

diesel

Đường dẫn nhiên liệu nặng có khả năng chịu áp lực lớn từ bơm cao áp đến kim phun Đường dẫn nhiên liệu trung bình sẽ tạo ra áp suất từ trung bình đến nhẹ giữa bình và các kim phun

Đường dẫn nhiên liệu nhẹ sẽ dẫn nhiên liệu diesel từ bồn chứa đến bơm cao áp Thường được sử dụng trong các khu vực ít áp lực hơn

Lọc nhiên liệu (The diesel Fuel Filters): Là bộ phận giúp ngăn chặn các yếu tố gây tắc

nghẽn hệ thống nhiên liệu của máy nổ diesel Bộ phận lọc nhiên liệu bao gồm ba phần:

bộ lọc nhiên liệu cho động cơ diesel, bộ lọc sơ cấp và bộ lọc thứ cấp Thông thường, hệ thống nhiên liệu diesel yêu cầu nhiều lần lọc để giữ cho động cơ luôn hoạt động trơn tru

Vòi phun (The Fuel Injectors): Vòi phun có chức năng phun nhiên liệu có áp suất cao

vào buồng đốt Đây được coi là một phần quan trọng của quá trình đốt cháy nhiên liệu

Bơm phun nhiên liệu (The diesel Fuel Pumps): Là bộ phận được sử dụng nhiều trong

các hệ thống nhiên liệu diesel tốc độ cao, giúp tự động cung cấp nhiên liệu cho hệ thống phun Bơm phun thường sẽ đi kèm với đòn bẩy để giúp xả khí ra khỏi hệ thống

Hình ảnh 1.9: Cấu tạo của hệ thống diesel

2.2.3 Ưu và nhược điểm của động cơ diesel:

Ưu điểm của động cơ diesel:

Tiết kiệm nhiên liệu: Động cơ diesel thường tiêu tốn ít nhiên liệu hơn so với động cơ xăng trong cùng điều kiện vận hành Điều này giúp giảm chi phí vận hành hàng ngày cho người sử dụng

Mô-men xoắn lớn: Động cơ diesel thường cung cấp mô-men xoắn lớn hơn so với động cơ xăng cùng loại, đặc biệt ở tốc độ thấp và trung bình Điều này làm cho xe có khả năng vận hành tốt hơn khi chở hàng nặng hoặc di chuyển trên địa hình đồi núi

Tuổi thọ cao: Do áp lực và nhiệt độ làm việc thấp hơn so với động cơ xăng, động cơ diesel thường có tuổi thọ cao hơn và yêu cầu ít bảo dưỡng hơn trong quá trình sử dụng

Ít khí thải: Động cơ diesel sản sinh ít khí thải hơn so với động cơ xăng, đặc biệt là trong việc giảm lượng khí CO2 thải ra môi trường, giúp bảo vệ môi trường

Nhược điểm của động cơ diesel:

Tiếng ồn và rung động: Động cơ diesel thường phát ra tiếng ồn và rung động cao hơn so với động cơ xăng, làm giảm trải nghiệm lái xe của người lái và hành khách

Chi phí mua ban đầu cao: Động cơ diesel thường có chi phí mua ban đầu cao hơn so với các loại động cơ khác, điều này có thể làm tăng chi phí khi mua một chiếc xe mới hoặc thay đổi động cơ cho xe hiện có

Cần bảo dưỡng đặc biệt: Động cơ diesel thường đòi hỏi quy trình bảo dưỡng phức tạp và đắt đỏ hơn so với động cơ xăng, bao gồm việc thay dầu nhớt, lọc dầu và lọc gió định kỳ Không thích hợp cho chạy ngắn: Động cơ diesel thường không thích hợp cho các chuyến

đi ngắn hoặc chạy trong các điều kiện thời tiết lạnh, vì cần thời gian để đạt nhiệt độ hoạt động tối ưu

2.3 Động cơ hybrid:

2.3.1 Động cơ hybrid là gì?

Động cơ hybrid là một hệ thống truyền động trong ô tô sử dụng hai nguồn năng lượng chính: một là động cơ đốt trong truyền thống (thường là động cơ xăng hoặc diesel), và hai là một hoặc nhiều động cơ điện (thường là một hoặc nhiều mô-tơ điện và hệ thống pin)

Công nghệ hybrid cho phép sự kết hợp linh hoạt của hai nguồn năng lượng này để tối ưu hóa hiệu suất vận hành của xe Khi cần, hệ thống có thể sử dụng động cơ điện độc lập hoặc kết hợp cả hai nguồn năng lượng để cung cấp lực kéo cho xe

2.3.2 Cấu tạo của động cơ hybrid:

Động cơ đốt trong (động cơ xăng hoặc diesel): Đây là động cơ truyền thống trong hệ thống hybrid, thường là động cơ xăng hoặc diesel Động cơ này được sử dụng để cung cấp lực kéo cho xe và có thể hoạt động độc lập hoặc kết hợp với động cơ điện tùy thuộc vào điều kiện vận hành

Động cơ điện (mô-tơ điện): Động cơ điện thường là thành phần chính trong hệ thống hybrid, được sử dụng để cung cấp năng lượng cho xe trong các tình huống như khởi động, tăng tốc và khi cần lực kéo bổ sung Mô-tơ điện hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ để chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học

Hệ thống pin (pin lithium-ion): Pin là nguồn năng lượng chính cho động cơ điện trong hệ thống hybrid Thường là pin lithium-ion hoặc pin nickel-metal hydride, hệ thống pin được sử dụng để lưu trữ năng lượng và cung cấp điện cho động cơ điện khi cần thiết Hệ thống pin cũng có tính năng tái tạo năng lượng từ phanh hồi, giúp tăng hiệu suất và kéo dài tuổi thọ pin

Hộp số truyền động (truyền động biến thiên): Trong một số hệ thống hybrid, hộp số truyền động có thể được thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng của xe Truyền động biến thiên (CVT) thường được sử dụng để tạo ra sự linh hoạt trong việc điều chỉnh tỷ số truyền của động cơ, giúp tối ưu hóa vận hành của xe

Hệ thống điều khiển: Hệ thống điều khiển phức tạp được sử dụng để điều chỉnh hoạt động của các thành phần trong hệ thống hybrid, bao gồm việc chuyển đổi giữa động cơ đốt trong và động cơ điện, quản lý năng lượng và tối ưu hóa hiệu suất vận hành của xe

2.3.3 Ưu và nhược điểm của động cơ hybrid:

Ưu điểm của động cơ hybrid:

Tiết kiệm nhiên liệu: Động cơ hybrid sử dụng cả động cơ đốt trong và động cơ điện, giúp giảm tiêu thụ nhiên liệu và lượng khí thải ra môi trường so với các xe chỉ sử dụng động

cơ đốt trong truyền thống Điều này giúp giảm chi phí vận hành và làm giảm tác động đến môi trường

Hiệu suất linh hoạt: Hệ thống hybrid cho phép chuyển đổi linh hoạt giữa động cơ đốt trong và động cơ điện tùy thuộc vào điều kiện vận hành, giúp tối ưu hóa hiệu suất vận hành của xe trong mọi tình huống

Giảm tiếng ồn và tiết kiệm năng lượng: Động cơ điện thường hoạt động yên tĩnh và không phát ra khí thải, giảm tiếng ồn và tiết kiệm năng lượng trong các điều kiện giao thông đô thị

Tính năng tái tạo năng lượng: Hệ thống pin hybrid thường có tính năng tái tạo năng lượng từ phanh hồi, giúp tăng hiệu suất và kéo dài thời gian hoạt động của pin

Nhược điểm của động cơ hybrid:

Chi phí mua ban đầu cao: Xe hybrid thường có chi phí mua ban đầu cao hơn so với các

xe chỉ sử dụng động cơ đốt trong, do sự phức tạp của công nghệ và thành phần trong hệ thống hybrid

Trọng lượng: Hệ thống hybrid thường nặng hơn do phải bao gồm cả động cơ điện, hệ thống pin và các thành phần điện tử khác, điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất lái và tiêu hao nhiên liệu

Cần bảo dưỡng đặc biệt: Hệ thống hybrid có thể đòi hỏi các quy trình bảo dưỡng đặc biệt

và đắt đỏ hơn so với các hệ thống truyền động truyền thống, đặc biệt là về việc bảo dưỡng pin và hệ thống điện tử

Hiệu suất trên đường cao tốc: Trong một số trường hợp, hiệu suất của động cơ hybrid trên đường cao tốc có thể không tốt bằng các xe chỉ sử dụng động cơ đốt trong, do sự yếu hơn của động cơ điện ở tốc độ cao

Tóm lại, động cơ hybrid mang lại nhiều ưu điểm như tiết kiệm nhiên liệu và giảm tiếng

ồn, nhưng cũng đồng thời đối mặt với nhược điểm về chi phí ban đầu cao và đòi hỏi bảo dưỡng đặc biệt

3 Nguyên lý làm việc của Động Cơ Ô tô

Bất kỳ loại động cơ nào cũng hoạt động dựa trên một số nguyên lý cơ bản Điều này bao gồm sự kết hợp của nhiên liệu và không khí trong buồng đốt, việc đốt cháy hỗn hợp này

để tạo ra sức mạnh, và sự chuyển động của các bộ phận cơ học để chuyển động xe

3.1 Nguyên lý làm việc của động cơ xăng:

Để giúp cho các động cơ vận hành, các hoạt động của động cơ xăng sẽ trải qua 4 thì gồm:

 Thì 1 – quá trình nạp: Khi piston di chuyển từ điểm chết trên xuống điểm chết dưới của xilanh sẽ tạo nên một khoảng trống Từ đó hỗn hợp không khí và xăng

sẽ được dẫn vào đường ống dẫn khí một cách thuận lợi Khi xupap nạp được

mở ra thì xupap xả sẽ được đóng lại Trong suốt quá trình này lượng xăng sẽ bay hơi để tăng khả năng hòa xăng vào trong không khí, nó được gọi là quá trình chế hòa khí