Tìm hiểu các loại động cơ đốt trong theo cách bố trí xilanh

Hiện nay, động cơ đốt trong gần như đã trong giai đoạn phát triển đỉnh điểm cũng như giới hạn của nó. Rất nhiều công nghệ được áp dụng để tối ưu hóa quá trình đốt cháy cũng như hiệu quả, hiệu suất động cơ. Trên các loại phương tiện hiện nay, động cơ đốt trong có nhiều kiểu bố trí xilanh, mỗi kiểu bố trí này được xếp vào loại động cơ tương ứng (phân loại theo cách bố trí xilanh).

Các loại động cơ theo cách bố trí xilanh gồm: Động cơ thẳng hàng I, động cơ chữ V, động cơ phẳng Flat hay Boxer, động cơ W, động cơ Wankel,… Hãy cùng tìm hiểu các loại động cơ đốt trong này.

1. ĐỘNG CƠ THẲNG HÀNG, CHỮ I – INLINE ENGINE

Động cơ thẳng hàng là động cơ phổ biến nhất hiện nay trong các dòng xe cỡ nhỏ, xe gia đình. Gọi là thẳng hàng, chữ I, viết tắt của Inline bởi vì xilanh của nó được bố trí theo một đường thẳng, và nó chỉ có 1 hàng xilanh.

Động cơ thẳng hàng được tìm thấy hầu hết trong các xe có động cơ 3, 4 và 6 xilanh.

Ưu điểm:

Nếu cùng số xilanh thì động cơ thẳng hàng dài hơn động cơ V nhưng bề rộng lại hẹp hơn, cho nên chúng thường được đặt ngang (động cơ I6) để giảm tối đa chiều dài của khoang động cơ, giúp mở rộng tối đa diện tích khoang hành khách. Do có kích thước khá nhỏ gọn nên động cơ I4 có thể đặt dọc hoặc đặt ngang tùy thuộc vào nhà sản xuất. Ngoài ra, chúng có:

• Cấu tạo đơn giản, gọn nhẹ và ít các chi tiết chuyển động tối ưu hóa cho việc bố trí các thành phần khác trong khoang động cơ.
• Chi phí sản xuất thường sẽ thấp hơn các loại động cơ khác (V, W, Boxer) nên việc sửa chữa, thay thế cũng không quá tốn kém.
• Tiết kiệm nhiên liệu hơn các loại động cơ ô tô chữ V.

• Động cơ 4 xi-lanh thẳng hàng nhỏ và gọn, nó dễ dàng phù hợp với hầu hết mọi khoang động cơ.
• Nó cũng nhẹ và thường chỉ có một ống xả, do đó trọng lượng được giảm hơn nữa.
• Với chỉ một đầu xi lanh (nắp quy lát), có ít bộ phận chuyển động hơn so với động cơ có nhiều khối xi lanh. Điều này có nghĩa là ít năng lượng bị mất hơn, làm giảm xác suất trục trặc.
• Các lực sơ cấp cân bằng vì hai piston bên ngoài chuyển động ngược chiều với hai piston bên trong.
• Động cơ bốn xi-lanh dễ dàng bảo trì và sửa chữa.
• Động cơ bốn xi-lanh đòi hỏi chi phí chế tạo thấp hơn.

• Động cơ 6 xilanh thẳng hàng có độ cân bằng tối ưu.
• Cách bố trí kết hợp với thứ tự nổ của nó dẫn đến cơ bản là động cơ hoạt động trơn tru nhất.
• V12 và Flat-12 là bước tiếp theo trong việc giảm rung động hơn nữa, vì chúng là hai I6 khớp với nhau.
• Chi phí sản xuất thấp hơn – khối xi lanh đơn với tất cả các xi lanh ở một hướng.
• Thiết kế đơn giản, dễ làm việc giống như I4.

Nhược điểm:

• Các lực thứ cấp không cân bằng, điều này sẽ giới hạn kích thước của động cơ.
• Dung tích động cơ bị giới hạn, với động cơ 4 xilanh hiếm khi vượt quá 3.0 lít.
• Động cơ 4 xi lanh lớn hơn thường sẽ yêu cầu trục cân bằng để loại bỏ rung động gây ra bởi sự mất cân bằng thứ cấp.
• Trọng tâm cao so với một số cách bố trí (Động cơ H hay phẳng).
• Không vững chắc và bền bỉ như một số cách bố trí (Động cơ V6, V8).
• Việc bố trí trong khoang động cơ có thể khó khăn do chiều dài của I6.
• Động cơ I6 hông lý tưởng cho xe FWD.

2. ĐỘNG CƠ CHỮ V

Đây là loại động cơ phổ biến cho các dòng xe hiệu suất. Động cơ có cách bố trí xilanh theo kiểu chữ V, thường là 60 hoặc 90 độ và một số ít 120 độ. Với kiểu bố trí này, thông thường thì thanh truyền của từng cặp piston gần nhau sẽ gắn trên một khuỷu trục (một số loại đặc biệt mỗi thanh truyền một khuỷu trục). Các loại động cơ V phổ biến là V6, V8, V12.

Ưu điểm:

• Động cơ chữ V nhỏ gọn hơn động cơ thẳng hàng cùng số lượng xilanh và có thể dễ dàng sử dụng cho cả xe FWD và RWD.
• Cân bằng tốt hơn. Đặc biệt là động cơ V8 và V12 sẽ cần bằng tốt nhất.
• Cho phép tạo ra hành trình piston lớn hơn động cơ xilanh thẳng hàng, điều này có nghĩa là mạnh hơn.
• Thiết kế cứng cáp hơn.

Nhược điểm:

• Động cơ cần có 2 đầu xi lanh (nắp quy lát), cần đến 2 bộ góp xả và 2 ống xả, điều này có nghĩa là chi phí, độ phức tạp và trọng lượng tăng thêm.
• Quán tính quay và ma sát lớn (nhiều bộ phận chuyển động hơn).
• Trọng tâm cao so với động cơ phẳng.
• Chi phí thường lớn hơn động cơ thẳng hàng vì độ phức tạp của khối xilanh và các bộ phận khác.
• Sự mất cân bằng thứ cấp ở động cơ V6 đòi hỏi trọng lượng bổ sung trên trục khuỷu.

3. ĐỘNG CƠ NGANG – ĐỐI: FLAT, BOXER

Động cơ này có các xilanh nằm ngang ở hai bên với trục khuỷu nằm ở giữa. Cần phân biệt động cơ này với động cơ có piston đối nhau (hai piston đối nhau trên một xilanh, có hai trục khuỷu).

Động cơ chiều Ngang – Đối này thường được phân biệt: động cơ phẳng Flat và động cơ Boxer. Bản chất của nó thì xilanh vẫn là được nằm ngang, chỉ khác ở trục khuỷu.

Trong đó, động cơ phẳng Flat là trường hợp đặc biệt của động cơ V với góc mở bằng 180 độ, các cặp thanh truyền đều gắn với một khuỷu trục; động cơ Boxer khác ở chỗ là mỗi thanh truyền sẽ gắn với một khuỷu trục.

Ưu điểm:

• Lực sơ cấp và lực thứ cấp cân bằng tốt. Do vậy đây là một động cơ hoạt động rất trơn tru. Điều này cho phép giảm trọng lượng trên trục khuỷu (không cần trọng lượng bổ sung để cân bằng), dẫn đến ít mất công suất do quán tính quay hơn.
• Hiệu suất động cơ cao hơn.
• Trọng tâm thấp, bố trí dễ dàng cho phép xe xử lý tốt hơn.

Nhược điểm:

• Kích thước bao của động cơ rất rộng, do đó nó chiếm khoảng không gian ngang lớn.
• Động cơ phẳng đã từng được sử dụng trong Công thức 1 vì lợi thế về hiệu suất của chúng, nhưng do chiều rộng của chúng, chúng cản trở luồng không khí và không còn được sử dụng nữa.
• Độ phức tạp – hai đầu xi lanh (nắp quy lát)/hệ thóng van.
• Một cặp rung lắc (sự mất cân bằng của mặt phẳng) do các piston bù lại để cho phép các thanh truyền kết nối với trục khuỷu.
• Việc bảo trì có thể khó khăn nếu tổng thành đóng gói chặt chẽ.

4. ĐỘNG CƠ VR

Động cơ VR xuất phát từ chữ cái đầu trong tiếng Đức của động cơ V (tiếng Đức: V-Motor) và động cơ thẳng hàng (inline) (tiếng Đức: Reihenmotor), do đó động cơ VR được mô tả là “động cơ Vee-Inline” (VR-Motor ). Đây cũng được coi là một biến thể đặc biệt của động cơ V và động cơ thẳng hàng. Hai dãy xilanh, tương ứng các xilanh nghiêng một góc nhỏ (thường là 15 độ). Điều đặc biệt của nó là chỉ sử dụng một đầu xilanh cho cả hai dãy xilanh.

Tập đoàn Volkswagen giới thiệu động cơ VR6 đầu tiên vào năm 1991 và động cơ VR6 hiện vẫn được sản xuất. Từ năm 1997-2006, Volkswagen cũng sản xuất động cơ VR5 năm xi-lanh dựa trên VR6.

Ưu điểm:

• Động cơ chỉ dùng một đầu xilanh (nắp quy lát) như động cơ thẳng hàng nhưng lại ngắn hơn, nó vẫn có cấu trúc 2 hàng xylanh như các loại động cơ ô tô chữ V. Do đó:
• Kết cấu đơn giản hơn, chi phí cũng tương đối thấp.
• Khả năng cân bằng tốt, độ rung thấp hơn nhiều so với động cơ V6.
• Trọng lượng giảm so với động cơ chữ V do có một đầu xilanh và một bộ góp ống xả.
• Động cơ VR6 dùng chung một đầu xi lanh cho hai dãy xi lanh. Chỉ cần hai trục cam cho động cơ, bất kể động cơ có hai hay bốn van trên mỗi xi lanh. Điều này giúp đơn giản hóa việc chế tạo động cơ và giảm chi phí.

Nhược điểm:

• Vì các xi lanh không nằm trên đường tâm của đầu xi lanh kết hợp, cho nên chiều dài của các cổng nạp và xả khác nhau ở mỗi dãy xilanh. Nếu không có sự bù trừ, độ dài cổng nạp xả thay đổi này sẽ dẫn đến việc hai dải xi lanh tạo ra lượng công suất khác nhau ở một RPM của động cơ cụ thể.
• Thiết kế phức tạp hơn động cơ thẳng hàng, bề rộng lớn hơn.
• Chiều cao trọng tâm cao hơn động cơ V.
• Cần có khoảng cách tối thiểu giữa các dãy xi lanh để vẫn có không gian cho các kênh nước làm mát và đường dẫn dầu.
• Thành xi lanh phải có độ dày tối thiểu nhất định, nếu không thành giữa các xi lanh riêng lẻ có thể bị quá nhiệt.

5. ĐỘNG CƠ W

Động cơ W là một loại động cơ piston trong đó ba hoặc bốn dãy xi lanh sử dụng cùng một trục khuỷu, giống như chữ W khi nhìn từ phía trước.

Động cơ W với ba dãy xi lanh còn được gọi là động cơ “broad arrow” (“mũi tên rộng”), do hình dạng của chúng giống với nhãn hiệu thuộc tính mũi tên rộng của chính phủ Anh.

Động cơ W với bốn dãy xilanh thường là được tọa bở hai động cơ VR ghép lại với một góc độ lớn (khoảng 72 độ).

Ưu điểm:

• Với cùng số lượng xilanh lớn, động cơ W có kết cấu ngắn hơn so với động cơ chữ V.
• Tạo ra mô men xoắn lớn hơn với độ cân bằng tốt hơn.

Nhược điểm:

• Kết cấu phức tạp hơn động cơ V, do đó chi phí sản xuất cũng như bảo dưỡng và sửa chữa cao hơn.
• Tạo ra tiếng ồn khá lớn.

6. ĐỘNG CƠ CHỮ H

Đây thực sử là một loại động cơ khá dị và phức tạp. Nó giống như hai động cơ phẳng được xếp chồng lên nhau theo chiều thẳng đứng, tương ứng nó có 2 trục khuỷu và được kết nối với nhau ở đuôi để tạo ra một đầu ra.

Nhìn thẳng theo đầu trục khuỷu thì nó đúng là có hình chữ H, do đó gọi nó là động cơ chữ H.

Động cơ H là một kiểu bố trí tương đối hiếm, với mục đích sử dụng chính là động cơ máy bay trong những năm 1930 và 1940. Chiếc xe Lotus 43 Formula One năm 1966 sử dụng động cơ H 16 xi-lanh và động cơ H 8 xi-lanh được sử dụng cho các cuộc đua xuồng máy vào những năm 1970.

Ưu điểm:

• Lợi ích của động cơ H là khả năng chia sẻ các bộ phận chung với động cơ phẳng mà nó dựa trên đó và sự cân bằng động cơ tốt giúp ít rung động hơn (điều khó đạt được ở nhiều loại động cơ bốn xi-lanh khác).

Nhược điểm:

• Cấu tạo phức tạp, cần thêm một kết cấu truyền động hợp nhất 2 trục khuỷu. Do đó chi phí tăng cao.
• Động cơ H tương đối nặng và có trọng tâm cao. Do nó có 2 trục khuỷu chồng lên nhau, và động cơ cũng phải đủ cao so với mặt đất để có khoảng trống bên dưới cho các ống xả.

7. ĐỘNG CƠ WANKEL

Động cơ Wankel hay còn được biết đến là động cơ piston quay. Nó được cấu tạo từ một xilanh hình oval và piston hình tam giác thực hiện chuyển động quay bên trong nó. Động cơ Wankel

Ưu điểm:

• Tính ổn định cao, do có ít chi tiết chuyển động hơn so với các động cơ piston trụ có sức mạnh tương đương.
• Kết cấu đơn giản, nhỏ, gọn và nhẹ.
• Hoạt động êm do chuyển động của piston là quay theo một hướng, không có các thành phần tịnh tiến, nó có cơ chế tự cân bằng khiến động cơ hoạt động mà hầu như không có rung động. Dòng công suất mượt mà hơn nhưng cũng có khả năng tạo ra nhiều công suất hơn bằng cách chạy ở vòng tua máy cao hơn.
• Nhiên liệu có trị số octan rất thấp có thể được sử dụng mà không gây ra đánh lửa sớm hoặc kích nổ.
• Lợi ích an toàn đáng kể khiến nó hữu ích khi sử dụng trên máy bay.
• Động cơ được cấu tạo với một rôto bằng thép bên trong vỏ làm bằng nhôm, có khả năng giãn nở nhiệt lớn hơn. Điều này đảm bảo rằng ngay cả khi động cơ Wankel quá nóng cũng không không bị kẹt hay bó máy.
• Nó có diện tích phía trước nhỏ hơn một động cơ piston tịnh tiến có công suất tương đương. Sự đơn giản trong thiết kế và kích thước nhỏ hơn của động cơ Wankel cũng cho phép tiết kiệm chi phí sản xuất so với động cơ piston tịnh tiến có công suất tương đương.

Nhược điểm:

• Hỗn hợp nhiên liệu-không khí không thể được lưu trữ trước vì không có van nạp.
• Thời gian để nhiên liệu được bơm vào động cơ Wankel ngắn hơn đáng kể. Công nghệ phun nhiên liệu quá phức tạp.
• Về khả năng tiết kiệm nhiên liệu, động cơ Wankel nói chung kém hiệu quả hơn so với động cơ piston tịnh tiến.
• Khả năng làm kín kém, độ mài mòn buồng đốt cao.
• Tỷ số nén thấp hơn. Điều này làm giảm hiệu suất nhiệt và do đó tiết kiệm nhiên liệu kém.
• Khó có thể mở rộng động cơ lên nhiều hơn hai rôto.
• Có thể có nhiều carbon monoxide và hydrocacbon chưa cháy trong dòng khí thải của Wankel. Do đó ô nhiễm không khí hơn.
• Động cơ Wankel rất nhạy cảm với bỏ nửa vì động cơ sẽ mất động lực từ hành trình bị mất và bị đập trở lại chuyển động sau khi buồng tiếp theo cháy. Chăm sóc hệ thống đánh lửa là điều quan trọng nhất để tránh sự cố.

8. ĐỘNG CƠ HƯỚNG TÂM – HÌNH SAO

Động cơ gồm các xilanh được bố trí xung quanh một trục khuỷu. Số lượng xilanh từ 5 trở nên, và nhìn nó như ngôi sao. Tất cả các chuyển động của piston đều hướng về tâm quay nên gọi nó là hướng tâm.

Trục của các xilanh là đồng phẳng, các thanh truyền sẽ không gắn trực tiếp với chốt khuỷu mà gắn qua một trục trung gian.

Ưu điểm của động cơ hình sao là ngắn và cân bằng tốt. Nó thường được sử dụng cho máy bay. Tuy nhiên độ phức tạp về kết cấu và chi phí cao.

9. ĐỘNG CƠ CHỮ X

Động cơ X là động cơ piston với bốn nhánh xi-lanh quanh một trục khuỷu , ác nhánh xi-lanh tạo thành một chữ “X” khi nhìn từ phía trước.

Ưu điểm của động cơ X là ngắn hơn động cơ V có cùng số xi lanh, tuy nhiên nhược điểm là trọng lượng và độ phức tạp cao hơn so với động cơ hướng tâm . Do đó, cấu hình này ngày nay đã ít được sử dụng.

10. ĐỘNG CƠ PISTONG ĐỐI ĐỈNH

Động cơ pistong đối đỉnh là động cơ piston trong đó mỗi xi lanh có một piston ở cả hai đầu, và không có đầu xi-lanh.

Động cơ pistong đối đỉnh chạy bằng xăng và diesel đã được sử dụng, hầu hết trong các ứng dụng quy mô lớn như tàu thủy, xe tăng quân sự và trong các nhà máy.

Ưu điểm của động cơ này là: Loại bỏ đầu xi lanh và hệ thống van, giúp giảm trọng lượng, độ phức tạp, chi phí, tổn thất nhiệt và mất ma sát của động cơ; Chiều cao giảm của động cơ.

Hạn chế chính là sức mạnh từ hai piston đối nhau phải được truyền cùng nhau. Điều này làm tăng thêm trọng lượng và độ phức tạp khi so sánh với động cơ piston thông thường, sử dụng một trục khuỷu duy nhất làm đầu ra công suất.