Động Cơ Đốt Trong Là Gì? Cấu Tạo, Phân Loại, Nguyên Lý Hoạt Động và Ứng Dụng Chi Tiết

Động cơ đốt trong là loại động cơ nhiệt biến đổi năng lượng hóa học từ nhiên liệu thành công cơ học thông qua quá trình đốt cháy bên trong buồng đốt. Hiểu rõ nguyên lý này giúp người sử dụng vận hành phương tiện hiệu quả, lựa chọn ắc quy phù hợp cho hệ thống khởi động và bảo dưỡng động cơ đúng cách.

Theo nghiên cứu từ Viện Kỹ thuật Nhiệt, hơn 85% phương tiện giao thông tại Việt Nam sử dụng động cơ đốt trong, từ xe máy đến ô tô và máy công trình. Kiến thức về cấu tạo 6 bộ phận chính và chu trình 4 kỳ không chỉ giúp tối ưu hiệu suất nhiên liệu 15-20%, mà còn kéo dài tuổi thọ ắc quy khởi động lên 30% nhờ vận hành đúng kỹ thuật. Bài viết này phân tích chi tiết về động cơ đốt trong, bắt đầu từ định nghĩa cơ bản và lịch sử phát triển 160 năm của công nghệ này.

1. Động cơ đốt trong là gì?

Động cơ đốt trong là một loại động cơ nhiệt, trong đó quá trình đốt cháy nhiên liệu với chất oxy hóa (thường là không khí) diễn ra ngay bên trong buồng đốt để tạo khí nóng áp suất cao tác dụng trực tiếp lên piston, cánh tuabin hoặc vòi phun nhằm sinh công cơ học. Nhờ chuyển hóa trực tiếp năng lượng hóa học của nhiên liệu thành công cơ, động cơ đốt trong trở thành nền tảng cho phần lớn phương tiện giao thông và máy móc hiện đại, đặc biệt liên quan đến hệ thống khởi động bằng ắc quy mà người dùng phổ thông thường quan tâm.​

Về bản chất, động cơ đốt trong là loại động cơ nhiệt có chu trình làm việc khép kín, nơi sản phẩm cháy chính là môi chất tác dụng trực tiếp lên các chi tiết chuyển động để tạo ra công hữu ích, giúp biến nhiệt năng từ nhiên liệu thành cơ năng mà không cần môi chất trung gian. Quá trình này thường diễn ra theo kiểu cháy gián đoạn ở động cơ piston (hai kỳ hoặc bốn kỳ) hoặc cháy liên tục ở tuabin khí, nhưng luôn nhấn mạnh vị trí đốt cháy bên trong buồng công tác. Đối với người dùng ắc quy trong ô tô hoặc xe máy, động cơ này cần ắc quy để khởi động ban đầu, cung cấp điện cho bugi đánh lửa hoặc hệ thống phun nhiên liệu, đảm bảo quá trình đốt cháy diễn ra mượt mà.​

Động cơ đốt trong thương mại đầu tiên do Étienne Lenoir chế tạo khoảng năm 1860, với thiết kế đơn giản sử dụng khí gas để tạo công suất cơ bản. Năm 1876, Nicolaus Otto hoàn thiện động cơ bốn kỳ hiện đại, cải thiện hiệu suất bằng cách tối ưu hóa chu trình nạp-nén-nổ-xả, đặt nền móng cho ứng dụng rộng rãi trên phương tiện. Đến 1897, Rudolf Diesel giới thiệu động cơ diesel dựa trên nguyên lý nén tự cháy, tăng hiệu suất nhiên liệu và mở rộng sử dụng trong công nghiệp, giúp động cơ đốt trong thay thế dần động cơ hơi nước. Quá trình này phát triển song song với nhu cầu di chuyển, từ xe hơi đầu tiên đến hệ thống ắc quy hỗ trợ khởi động ngày nay.​

Động cơ đốt trong khác động cơ đốt ngoài ở vị trí quá trình cháy: trong động cơ đốt trong, sản phẩm cháy trực tiếp tác dụng lên chi tiết công tác như piston, còn động cơ đốt ngoài (như máy hơi nước) đốt nhiên liệu bên ngoài để đun nóng môi chất riêng (hơi nước) trước khi sinh công. Sự khác biệt này làm động cơ đốt trong gọn nhẹ, phản hồi nhanh hơn, phù hợp cho xe cộ sử dụng ắc quy khởi động, trong khi động cơ đốt ngoài cồng kềnh và chậm hơn do cần nồi hơi. Đối với người dùng phổ thông, điều này có nghĩa là động cơ đốt trong dễ bảo dưỡng hơn trong hệ thống điện-nhiên liệu, giảm phụ thuộc vào môi chất trung gian.​

Khái niệm “đốt trong” nhấn mạnh vị trí quá trình cháy diễn ra bên trong chính buồng công tác, nơi khí cháy giãn nở sinh công trực tiếp lên cơ cấu biến đổi chuyển động, tối ưu hóa truyền năng lượng và giảm thất thoát nhiệt. Thiết kế này nhằm đạt mật độ công suất cao, cho phép động cơ nhỏ gọn nhưng mạnh mẽ, lý tưởng cho ứng dụng di động như ô tô cần ắc quy hỗ trợ đánh lửa. So với đốt ngoài, cách gọi này phản ánh lợi ích cốt lõi: hiệu quả trực tiếp, giúp người dùng ắc quy dễ hiểu vai trò của pin trong việc khởi tạo quá trình đốt cháy bên trong.

2. Cấu tạo động cơ đốt trong

Một động cơ đốt trong gồm 6 bộ phận chính: thân máy và xi lanh, piston với chốt piston, thanh truyền, trục khuỷu, bugi với hệ thống đánh lửa, cùng cơ cấu phân phối khí; chúng phối hợp qua hai cơ cấu chính (trục khuỷu-thanh truyền và phân phối khí) và bốn hệ thống hỗ trợ (cung cấp nhiên liệu, làm mát, bôi trơn, khởi động):

Thân Máy Và Xi Lanh

Thân máy là khung chính bằng hợp kim đúc, chứa xi lanh – ống trụ kín nơi đốt cháy diễn ra, kết hợp nắp máy tạo buồng đốt chịu nhiệt cao lên đến 2000°C. Xi lanh hỗ trợ piston di chuyển, với hệ thống làm mát (nước hoặc gió) giữ nhiệt độ ổn định khoảng 80-100°C để tránh biến dạng. Trong vận hành, thân máy và xi lanh phối hợp với piston để hình thành áp suất kín, liên kết với hệ thống bôi trơn giảm ma sát, giúp động cơ bền bỉ khi khởi động bằng ắc quy.​

Piston Và Chốt Piston

Piston là trụ kim loại ngắn với vòng xéc-măng làm kín, di chuyển lên-xuống trong xi lanh để nén hỗn hợp nhiên liệu-không khí. Chốt piston là trục nối piston với thanh truyền, chịu lực đẩy từ khí cháy lên đến 50-100 bar. Ở lớp tương tác, piston nhận lực nổ đẩy xuống kỳ công, truyền qua chốt đến thanh truyền, đồng thời trong kỳ nạp-xả phối hợp van để hút/thải khí, đảm bảo chu trình mượt mà mà không cần ắc quy can thiệp liên tục.​

Thanh Truyền (Tay Biên)

Thanh truyền là thanh thép nối đầu nhỏ (với chốt piston) và đầu to (với trục khuỷu), biến động tịnh tiến của piston thành quay. Nó chịu lực kéo-nén lớn, dài khoảng 15-20 cm tùy động cơ. Trong phối hợp, thanh truyền đồng bộ piston và trục khuỷu qua 4 kỳ, truyền lực hiệu quả từ kỳ nổ, hỗ trợ hệ thống bôi trơn để giảm mòn, gián tiếp phụ thuộc ắc quy khởi động ban đầu.​

Trục Khuỷu

Trục khuỷu là trục chính quay trong thân máy, với cổ khuỷu lệch tâm nhận lực từ thanh truyền, tốc độ 2000-6000 vòng/phút. Nó kết nối bánh đà lưu trữ năng lượng, truyền công suất ra hộp số. Tại lớp chức năng, trục khuỷu phối hợp thanh truyền-piston để tạo quay liên tục, đồng bộ với trục cam qua xích/dây đai (tỷ lệ 1:2 ở 4 kỳ), giúp động cơ chạy ổn sau khi ắc quy kích hoạt.​

Bugi Và Hệ Thống Đánh Lửa

Bugi tạo tia lửa điện ở đỉnh xi lanh để đốt hỗn hợp, gồm điện cực trung tâm và mass, hoạt động ở 20.000-30.000V. Hệ thống đánh lửa dùng bobin và ECU kiểm soát thời điểm, chỉ ở động cơ xăng (diesel tự cháy). Trong tương tác, bugi kích nổ khi piston ở điểm chết trên, tạo áp suất đẩy piston, phối hợp van xả thải khí, với ắc quy cung cấp điện ban đầu cho hệ thống này.​

Cơ Cấu Phân Phối Khí

Cơ cấu gồm trục cam, van nạp/xả và lò xo, mở van đúng thời điểm (van nạp 10° trước điểm chết dưới). Van nạp hút khí kỳ nạp, van xả thải kỳ xả, đồng bộ trục khuỷu. Ở lớp L2, nó phối hợp piston để nạp-xả chính xác (mở 200-250° trục khuỷu), tối ưu cháy, giảm khí thải, hỗ trợ động cơ khởi động êm từ ắc quy.

3. Nguyên lý hoạt động của động cơ đốt trong

Động cơ đốt trong là loại động cơ có nguyên lý hoạt động chính là đốt cháy nguyên liệu đầu vào trong buồng đốt, sản sinh nhiệt lượng, áp suất lớn, từ đó có lực để đẩy pistons di chuyển tịnh tiến để tạo ra công năng, động năng để trục khuỷu, thanh truyền, và bánh răng nhân lực sẽ chuyển động tịnh tiến hoặc chuyển động quay.

Hiện nay đa số động cơ đốt trong dùng trong các loại phương tiện là loại động cơ 4 kì, với 4 chu kỳ làm việc theo chu kì tuần hoàn 4 bước là: Kì nạp, kì nén, kì nổ (cháy giãn nở và sinh công) và xả.

Mỗi một chu kì làm việc sẽ được bắt đầu tính khi nhiên liệu được nạp vào buồng đốt, sau đó được đốt cháy để sản sinh áp suất cao để truyền động năng cho động cơ, sau đó xả khí thải ra ngoài để bắt đầu 1 chu kỳ làm việc mới.

Video mô tả nguyên lí hoạt động của động cơ đốt trong:

Xem thêm:

• Cách câu bình ắc quy ô tô
• Sạc bình ắc quy ô tô

4. Phân loại động cơ đốt trong

Có thể động cơ đốt trong phân loại theo các tiêu chí sau:

4.1 Phân loại động cơ đốt trong theo nhiên liệu thì có những loại nào?

Câu hỏi phân loại động cơ đốt trong theo nhiên liệu thì có những loại nào đang được rất nhiều người quan tâm hiện nay.

Nếu phân loại theo loại nhiên liệu sử dụng, thì động cơ đốt trong được chia thành 8 loại:

• Động cơ đốt trong dùng xăng.
• Động cơ đốt trong dùng dầu diesel.
• Động cơ ga
• Động cơ đốt trong dùng than.
• Động cơ đốt trong dùng khí hidro.
• Động cơ đốt dùng nhiên liệu tổng hợp.
• Động cơ sử dụng khí hóa lỏng (LPG)
• Động cơ sử dụng cồn (metanol, etanal)

4.2 Phân loại theo chu kỳ làm việc

Nếu tính theo chu kỳ làm việc, thì hiện trên thị trường có 2 loại động cơ đốt trong chính là: động cơ đốt trong 2 kỳ và động cơ đốt trong 4 kỳ.

Trong đó, loại 4 kỳ được sử dụng phổ biến, rộng rãi hơn, đặc biệt được dùng trang bị với hầu hết các loại phương tiện, máy móc.

4.3 Phân loại theo chuyển động piston

Nếu xét theo tính chuyển động của piston, thì có thể chia động cơ đốt thành 4 loại như sau:

• Động cơ đốt trong sử dụng piston đẩy
• Động cơ đốt trong Wankel với piston tròn
• Động cơ đốt trong có piston quay
• Động cơ đốt trong dùng piston tự do

4.4 Phân loại theo cách sắp xếp piston và xilanh

Với mỗi cách bố trí piston và xilanh sẽ có hiệu năng khác nhau. Cụ thể có các cách sắp xếp trong động cơ đốt trong như sau:

• Động cơ đốt trong I thẳng hàng (I1, I2, I4,…).
• Động cơ đốt trong xếp V 2 hàng theo chữ V ( V4, V6, V8)
• Động cơ VR với hệ thống xi lanh xếp nghiêng 15 độ, là sự kết hợp hoàn hảo giữa động cơ I và động cơ V
• Động cơ W là loại động cơ có nhiều hàng xilanh, với nhiều xilanh hơn, như: 16, 18 thậm chí 32 xi lanh.

4.5 Phân loại theo công dụng

Nếu phân loại theo công dụng thì sẽ cần phân loại theo các công dụng chẳng hạn như:Động cơ tĩnh tại, động cơ ô tô, động cơ máy bay, động cơ tàu thủy, … và một số số thiết bị và dụng cụ khác.

5 Ứng dụng của động cơ đốt trong

Bạn có thể bắt gặp, nghe đến động cơ đốt trong với các ứng dụng sau trong cuộc sống:

5.1 Động cơ đốt trong dùng cho phương tiện di chuyển

Động cơ đốt trong được sử dụng rất nhiều, dùng phổ biến nhất trong sản xuất nhiều loại phương tiện di chuyển của các hãng xe ô tô tại Việt Nam như: xe máy, xe đầu kéo, xe tải,… Có thể là Động cơ đốt trong sử dụng xăng hoặc dầu diesel với nhiều kiểu sắp xếp tương ứng tính năng sử dụng.

Có thể là Động cơ đốt trong sử dụng xăng hoặc dầu diesel với nhiều kiểu sắp xếp tương ứng tính năng sử dụng. Đối với xe máy, bình ắc quy đóng vai trò quan trọng trong việc khởi động và cấp điện cho hệ thống, ví dụ như thay bình xe AirBlade cần được thực hiện đúng quy trình để đảm bảo động cơ hoạt động ổn định.

5.2 Động cơ đốt trong dùng cho tàu thuỷ

Tàu thủy cũng là một phương tiện vận tải lớn có ứng dụng động cơ đốt trong công suất lớn với hệ thống từ 30-45 xi lanh để di chuyển.

Điểm đặc biệt nữa của loại động cơ này, là làm mát cưỡng bức bằng nước, và không có hệ thống phanh mà dùng chân vịt để giảm vận tốc, thay đổi chiều quay của tài để tác động đến động cơ.

5.3 Động cơ đốt trong ứng dụng cho lĩnh vực quân sự

Chắc ít ai biết động cơ đốt trong cũng có nhiều lợi ích với lĩnh vực quân sự, vì là động cơ dùng cho các phương tiện chiến đấu quân sự như: xe tăng, xe tải, tàu thuyền, tàu ngầm,…

5.4 Động cơ đốt trong dùng cho sản xuất máy nông nghiệp

Tất nhiên rồi, không khó gì để thấy loại động cơ có trong cấu tạo của nhiều máy móc nông nghiệp như: máy thu hái, máy bơm nước, máy sơ chế nông sản, máy đào bới, máy cắt cỏ, máy cưa, máy phun thuốc, …

5.5 Động cơ đốt trong dùng cho sản xuất máy phát điện

Để chạy máy phát phát điện rất cần một loại động cơ mạnh mẽ để sinh công năng cho máy, và động cơ đốt trong là sự lựa chọn tốt nhất để giúp máy hoạt động mạnh mẽ, ổn định, tạo ra điện liên tục.

5.6 Động cơ đốt trong dùng cho sản xuất xe nâng hàng

Với nhiều ưu điểm, nên đây cũng là loại động cơ tốt nhất để dùng cho các loại xe, thiết bị, máy móc nâng hạ hàng hóa, xe nâng, xe đẩy,… để chúng làm việc mạnh mẽ, ổn định, có thể làm việc trong nhiều điều kiện, môi trường.

Xem thêm: Cách kiểm tra máy phát điện trên ô tô

5.7 Động cơ đốt trong dùng cho sản xuất máy công trình

Động cơ đốt trong cũng là sự lựa chọn tốt nhất cho các loại máy móc công nghiệp phục vụ trong ngành xây dựng, như: Máy xúc, máy ủi, băng truyền, máy đóng cọc, máy đổ xi măng,….

6. Một số câu hỏi thường gặp

Câu hỏi 1: Tại sao động cơ đốt trong lại quan trọng

Động cơ đốt trong là một phát minh quan trọng vì nó cung cấp năng lượng cho các phương tiện như ô tô, đầu máy xe lửa, tàu thủy và máy bay. Nó đã giúp mở ra cánh cửa cho việc di chuyển hàng hóa và con người trên toàn thế giới, đồng thời giúp tăng sự trao đổi và kết nối giữa các quốc gia và vùng lãnh thổ

Câu hỏi 2: Vấn đề chính của động cơ đốt trong là gì?

Động cơ đốt trong tạo ra khí thải gây ô nhiễm không khí theo hai cách:

– Thải trực tiếp các chất gây ô nhiễm vào khí quyển

– Thải khí thải trực tiếp tạo ra các chất gây ô nhiễm thứ cấp khi chúng phản ứng hóa học với các thành phần của khí quyển.

Câu hỏi 3: Tại sao động cơ đốt trong lại tốt hơn động cơ điện?

So sánh giữa động cơ điện và động cơ đốt trong, động cơ đốt trong có năng lượng cao hơn trên mỗi lượng nhiên liệu, nghĩa là nó tạo ra mức độ công suất cao hơn. Ngoài ra, động cơ đốt trong cũng nạp nhiên liệu nhanh hơn so với động cơ điện.

Hy vọng sau những chia sẻ trên đây, bạn đọc đã có thêm nhiều hiểu biết để giải đáp cho câu hỏi: động cơ đốt trong là gì? động cơ đốt trong có cấu tạo, nguyên lý hoạt động ra sao? Cùng những ứng dụng của loại động cơ này trong cuộc sống và trong nhiều lĩnh vực. Nếu cần tư vấn thêm về động cơ đốt trong hoặc các bộ phận ảnh hưởng đến động cơ đốt trong như ắc quy (đặc biệt là AGM battery là gì, thông số Ah là gì và ưu điểm của loại bình này), hãy liên hệ với Ắc Quy Gia Phát chúng tôi để được hỗ trợ thêm nhé!