19/05/2021
Cơ Khí Xây Dựng MCV24
Motor Construction Vehicle
So sánh ưu và nhược điểm của mỗi loại động cơ I, V, Boxer, W, Wankel .............
Có nhiều loại động cơ chuyển đổi năng lượng hóa học thành động năng, và động năng thành năng lượng cơ học để khiến một chiếc xe chuyển động. Mỗi loại động cơ đều có cách bố trí cùng ưu nhược điểm riêng. Vậy những ưu và nhược điểm của mỗi loại động cơ đó là gì? Hãy cùng tìm hiểu về các loại động cơ phổ biến như I, V, Boxer, W và Wankel trong bài viết này.
1. Động cơ thẳng hàng – Inline Engine:
Động cơ thẳng hàng Inline là một trong những cấu hình động cơ phổ biến nhất. Phần này chủ yếu nói về động cơ I4 (Inline Four Cylinders).
Các cấu hình động cơ thẳng hàng Inline bốn xy lanh có thể được tìm thấy trong hầu hết các xe bốn xi-lanh đòi hỏi sự nhỏ gọn, nhẹ, ổn định về công suất cũng như khả năng tiết kiệm nhiên liệu.
Đối với cách bố trí của các bộ phận trong động cơ này, các xylanh hình trụ được sắp xếp theo một đường thẳng. Tùy vào mỗi hàng sẽ có các bố trí trục cam kiểu SOHC (trục cam đơn) hoặc DOHC (trục cam đôi).
Động cơ I4 thẳng hàng
Ưu điểm:
Dài hơn động cơ hình chữ V nhưng lại hẹp hơn, vì vậy chúng thường được đặt ngang (với động cơ I6) để giảm thiểu tối đa chiều dài của khoang động cơ giúp mở rộng tối đa kích thước khoang hành khách. Ngoài ra, do tính nhỏ gọn động cơ I4 có thể được đặt dọc, hoặc đặt ngang với khoang động cơ.
Không quá đắt để có thể sản xuất, nâng cấp, thay thế, sửa chữa bộ phận, chi tiết của động cơ.
Cấu tạo đơn giản, nhẹ, ít các chi tiết chuyển động nhiều.
Tiết kiệm nhiên liệu hơn loại động cơ chữ V.
Nhược điểm:
Bị giới hạn dung tích.
Các lực sinh ra bởi chuyển động lên xuống của piston tác động không đều lên trục khuỷu và làm động cơ bị rung lắc và trọng tâm cao. Do đó cần thêm một hệ thống trục cân bằng để triệt tiêu sự rung lắc, cân bằng động cơ.
Hoạt động không bền bỉ, êm bằng loại động cơ I6, V6, V8,…
Kết cấu động cơ I4
2. Động cơ dạng phẳng:
Loại động cơ này có xy lanh đặt nằm ngang trên 1 mặt phẳng, piston vì vậy sẽ chỉ chuyển động ngang (sang trái hoặc phải) thay vì theo chiều dọc (lên xuống như động cơ truyền thống – động cơ Inline). Một nửa số piston sẽ chuyển động theo 1 hướng và nửa còn lại theo hướng ngược lại. Động cơ dạng phẳng nhìn chung có 2 loại: loại Boxer và loại động cơ hình chữ V góc mở 180°.
Ưu điểm:
Do thiết kế phẳng nên động cơ có chiều cao thấp và vì vậy khi lắp vào khoang máy kéo tâm trọng lực của xe xuống thấp. Vì thế, xe đầm và hoạt động ổn định hơn.
Các xy lanh được bố trí đều sang hai bên cũng như chuyển động theo các hướng ngược chiều nhau giúp phân bố trọng lực đều hơn và vì vậy xe ít bị rung lắc hơn so với kiểu động cơ có xy lanh đứng thẳng hàng.
Thiết kế độc đáo giúp giảm trọng lượng tác động trên trục khuỷu, đảm bảo ít hao hụt năng lượng hơn.
Nhược điểm:
Kiểu động cơ phẳng phần lớn chỉ được sử dụng trên các dòng xe Subaru và Porsche nên hiếm khi có nhiều người thợ có cơ hội tiếp xúc với loại động cơ này. Hậu quả là giá thành sửa chữa tại hãng cao.
Mặc dù quảng cáo khá rầm rộ nhưng số lượng xe Subaru trang bị động cơ Boxer bán ra trên thị trường Việt Nam là rất ít, thậm chí còn ít hơn cả xe Porsche.
Âm thanh khi động cơ hoạt động lớn, ồn.
Đắt giá hơn động cơ Inline (I4, I6).
Bảo dưỡng tương đối khó, khoang động cơ chật, hẹp.
3. Động cơ chữ V:
Khác với động cơ thẳng hàng, cấu trúc hình V phức tạp hơn vì nó gần như tương đương với hai động cơ thẳng hàng, cụ thể là các bộ phận phải nhân đôi như 2 nắp quy lát, 4 trục cam, …(riêng trục khuỷu sử dụng chung). Bên cạnh đó, việc đồng bộ chuyển động của piston với trục khuỷu cũng phức tạp hơn so với 4 xy lanh thẳng hàng. Động cơ chữ V các xi lanh thường được đặt cách nhau 60 hoặc 90 độ. Phần so sánh này chủ yếu nói về động cơ V6.
Động cơ V6
Ưu điểm:
Cấu trúc vuông vắn hơn động cơ thẳng hàng giúp hạn chế tối đa lực ly tâm khi xe vào cua ở tốc độ cao.
Thiết kế hình V cho phép trọng lực được phân bố đều sang 2 bên vì vậy giảm thiểu tối đa các rung lắc gây ra trong quá trình chuyển động của piston.
Cấu tạo góc mở của thiết kế hình V càng lớn thì trọng tâm của động cơ càng thấp, tương tự như trường hợp của động cơ phẳng khi góc mở đạt tối đa 180 độ đem lại độ ổn định tối đa cho xe.
Do kết nối với ít xy lanh hơn, trục khuỷu động cơ V cũng ngắn hơn so với động cơ thẳng hàng khiến việc thiết kế chúng bắt buộc phải chắc chắn hơn và không cần đến hệ thống trục cân bằng để triệt tiêu rung lắc như trường hợp động cơ thẳng hàng.
Cấu tạo của động cơ V6
Nhược điểm:
Do phải nhân đôi các bộ phận và có cấu tạo phức tạp hơn động cơ thẳng hàng nên động cơ V đắt hơn cả về chi phí sản xuất lẫn chi phí bảo dưỡng.
Tiêu hao nhiên liệu thường nhiều hơn.
Rộng và nặng hơn động cơ thẳng hàng.
Do cấu tạo của động cơ V nên thông thường hệ thống xả yêu cầu hai đường ống xả riêng biệt.
Động cơ V6 ít cân bằng hơn động cơ I6 và V8.
Động cơ từ V8, V10, V12 đòi hỏi tính đến sự thiết kế khung chịu lực lớn, trọng lượng tăng dần, giá thành sản xuất tăng, mức tiêu hao nhiêu liệu lớn ngày càng lớn.
Áp dụng với những dòng xe cao cấp.
4. Động cơ VR:
Biến thể lai giữa hai loại động cơ thẳng hàng và động cơ V, các xy lanh đều nghiêng một góc 15 độ so với phương thẳng đứng. VR6 có hai phiên bản 12 xupap (2 xupap mỗi xylanh) và 24 xupap (4 xupap mỗi xy lanh).
VR6 (6 xy lanh) là mẫu động cơ VR được ứng dụng khá rộng rãi của Volkswagen, xe tải Mercedes-Benz Vito, siêu xe Audi Quattro TT, Porsche Cayenne, Lamborghini, Bugatti và Bentley,…
Động cơ VR6 của Volkswagen
Ưu điểm:
Do chỉ sử dụng 1 nắp quy lát như động cơ thẳng hàng nhưng lại ngắn hơn vì vẫn có cấu trúc 2 hàng xy lanh của động cơ V.
Thiết kế nhỏ gọn, chi phí sản xuất rẻ hơn động cơ V6.
Khả năng cân bằng tốt, có độ rung thấp hơn rất nhiều so với động cơ V6.
Thiết kế ống xả đơn giản, tất cả khí thải đều ra cùng một phía của động cơ, không giống như động cơ V6 yêu cầu hai cụm ống xả. Do đó, trọng lượng giảm, tiết kiệm chi phí.
Kết cấu động cơ VR6 của Volkswagen
Nhược điểm:
Momen xoắn thấp hơn động cơ I4, cùng dải công suất ngắn hơn.
Nặng hơn động cơ I4.
Thiết kế phức tạp cho cấu trúc của các xy lanh đều nghiêng theo một góc 15 độ đến 20 độ.
Phần đáy động cơ phải làm dày và khoan lỗ lớn để có thể làm mát và tạo độ cứng thích hợp nhằm cân bằng khi hoạt động.
Do sử dụng bộ tăng áp nên loại động cơ này không có tính tiết kiệm nhiên liệu. Do đó, động cơ I4 đã ngày một thay thế loại động cơ này.
5. Động cơ W / động cơ VV (V kép):
Loại động cơ này có 8; 12; 16 xy lanh; (cá biệt có loại 18 xy lanh, 32 xy lanh); tương đương với 2 động cơ V đặt cạnh nhau. Động cơ W chỉ được sử dụng trong các nhóm xe của VW như Audi A8L, VW Toureg, Bentley Continental GT và Bugatti Veyron và Chiron.
Cấu trúc động cơ W phức tạp, yêu cầu sắp xếp càng nhiều xy lanh càng tốt để giảm thiểu tối đa kích thước động cơ. Có ba kiểu sắp xếp động cơ W12 (Phần này chủ yếu nói về W12):
Hai hàng, sáu xylanh mỗi hàng và hai trục khuỷu (hai động cơ V ghép liền nhau).
Ba hàng, bốn xylanh mỗi hàng và một trục khuỷu (sử dụng cho động cơ máy bay, đã dừng sản xuất từ lâu).
Bốn hàng, ba xylanh mỗi hàng và một trục khuỷu (Hai động cơ VR góc hep 15 độ ghép liền nhau, với góc nghiêng giữa hai hàng là 72 độ). Đây là kiểu cấu hình phổ biến của động cơ W12.
Khối động cơ W12 của Bentley
Đôi khi người ta gọi là WR12 chứ không phải là W12 vì sự đặc biệt của loại động cơ VR của Volkswagen. Và mỗi khối VR chỉ có một đầu duy nhất, vì vậy tất cả các động cơ sản xuất của Volkswagen W đều có hai đầu mặc dù có bốn ngân hàng.
Ưu điểm:
Tạo ra nhiều mômen xoắn hơn so với động cơ V12 do cách bố trí trục khuỷu và xy lanh.
Động cơ ngắn hơn V12, nhưng lại rộng hơn vì bố trí nhiều xy lanh ở hai bên.
Động cơ W12 (bốn hàng, ba xylanh, một trục khuỷu)
Nhược điểm:
Âm thanh ồn, không tốt nếu so với V12.
Chi phí sản suất V12 đã đắt, nay W12 còn đắt hơn vì cấu tạo phức tạp cùng nhiều chi tiết.
6. Động cơ Wankel:
Loại động cơ này không dùng Piston lên xuống như động cơ ô tô thông thường, thay vào đó là buồng đốt hình oval và một rotor cánh quạt hình tam giác chuyển động xoay tròn trong nó. Hiện tại mẫu động cơ này thường được áp dụng trong các mẫu xe đua.
Kenichi Yamamoto, cha đẻ của động cơ Wankel Mazda.
Ưu điểm:
Ổn định: Có ít các chi tiết chuyển động hơn so với các động cơ 4 kỳ có sức mạnh tương đương. Một động cơ tam giác xoay 2 piston có 3 bộ phận chuyển động: 2 rotor và 1 trục khuỷu. Trong khi đối với động cơ 4 kỳ đơn giản nhất thì có ít nhất là 40 chi tiết chuyển động. Việc tối thiểu hóa chi tiết chuyển động giúp động cơ piston xoay vận hành ổn định, đáng tin cậy hơn và thậm chí, một số hãng máy bay còn muốn sử dụng dạng động cơ này.
Nhỏ – Nhẹ, tỷ lệ công suất/trọng lượng cao: Do có ít chi tiết, cộng với chủ yếu được làm bằng nhôm nên động cơ piston xoay có trọng lượng nhẹ hơn khoảng 1/3 và kích thước chỉ xấp xỉ 1/3 so với các động cơ khác có cùng công suất.
Hoạt động êm: Do chuyển động của toàn bộ các thành phần đều theo 1 hướng, không có cơ chế đổi chiều chuyển động của piston, lại có thêm cơ chế tự cân bằng nhờ đối trọng nên động cơ có thể hoạt động với rất ít rung động,
Chuyển động xoay của piston tạo ra mô men xoắn nên có thể sử dụng nhiên liệu có chỉ số octan thấp.
Động cơ Wankel của Toyota được sản xuất những năm 1970s
Nhược điểm:
Piston có thể bị bó cứng: Xuất phát từ sự khác nhau về độ giãn nở do nhiệt của các loại vật liệu khác nhau nên toàn bộ khối động cơ sẽ có sự giãn nở không đều trong quá trình vận hành, dẫn tới piston bị bó cứng vào trong thành xylanh.
Mặt khác, cả 2 mặt đều tiếp xúc với nhiên liệu, bên trong không thể bố trí hệ thống bôi trơn chuyên dụng nên không thể bôi trơn như động cơ 2 kỳ. Do đó, có thê phần tiếp xúc giữa đỉnh piston và thành xylanh có thể bị hở sau quá trình sử dụng.
Quá trình đốt chậm do sau khi đánh lửa, “buồng đốt” phải di chuyển trong hành trình dài, hẹp nên gây ra sự trễ và có thể không cháy sạch.
Tiêu hao nhiên liệu: do vị trí tiếp xúc giữa piston và thành xy lanh dễ bị hở nên nhiên liệu có thể bị rò rỉ, buồng cháy không kín nên không đốt sạch nhiên liệu. Tương tự, chất thải có thể bị lẫn vào trong nhiên liệu.
Nhiên liệu cháy không hết còn bị xả ra bên ngoài nên kém thân thiện với môi trường.
Quá trình sản xuất đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cao, giá thành không rẻ.
