A. Lý thuyết trọng tâm

I. Hệ thống bôi trơn

1. Nhiệm vụ và phân loại

Nhiệm vụ: Hệ thống bôi trơn có nhiệm vụ đưa dầu bôi trơn đến các bề mặt làm việc của các chi tiết để giảm ma sát và nhiệt độ giữa các chi tiết.

Phân loại: Động cơ đốt trong sử dụng nhiều loại hệ thống bôi trơn khác nhau, gồm:

• Bôi trơn bằng vung té: Dầu trong các te được vung, té tự nhiên tới bề mặt các chi tiết nhờ sự chuyển động của các chi tiết trong các te. Thường gặp trong động cơ cỡ nhỏ có kết cấu đơn giản.
• Bôi trơn qua nhiên liệu: Dầu bôi trơn được pha trong nhiên liệu, bám dính vào các bề mặt cần bôi trơn. Dùng cho động cơ xăng 2 kì.
• Bôi trơn cưỡng bức: Dầu bôi trơn được bơm áp lực cao, đưa tới bề mặt các chi tiết cần bôi trơn. Thường gặp trong động cơ ô tô. Ngày nay hầu hết các loại động cơ đốt trong đều sử dụng phương pháp bôi trơn cưỡng bức.

2. Hệ thống bôi trơn cưỡng bức

a) Cấu tạo

Hệ thống bôi trơn cưỡng bức gồm các bộ phận chính: các te chứa dầu (1), lưới lọc (2), bơm dầu (3), van an toàn bơm dầu (4), van an toàn lọc dầu (5), bầu lọc dầu (6), van khống chế lưu lượng (7), két làm mát dầu (8), đồng hồ báo áp suất (9), đường dầu chính (10), các đường dầu phụ (11, 12, 13) và đường dầu hồi (14).

Trong đó: bộ phận có chức năng làm sạch dầu là lưới lọc (2) và bầu lọc dầu (6); bộ phận có chức năng làm mát dầu là két làm mát (8). Dầu bôi trơn được đưa đến bề mặt các chi tiết có chuyển động tương đối với nhau như cổ trục khuỷu, chốt khuỷu, cổ trục cam, các cặp bánh răng, các ổ trục và bạc…

b) Nguyên lí làm việc

Khi hệ thống làm việc bình thường, dầu bôi trơn được bơm (3) hút từ các te (1) qua lưới lọc (2) lọc sơ bộ các tạp chất có kích thước lớn, sau đó đi qua bầu lọc (6), qua van (7) đến đường dầu chính (10) rồi tiếp tục đến các đường dầu phụ (11), (12), (13) để bôi trơn các bề mặt chi tiết, cuối cùng dầu trở về các te.

Trường hợp áp suất dầu vượt quá giá trị cho phép (thể hiện qua đồng hồ áp suất (9)): van an toàn (4) mở để dầu quay về trước bơm (3) nhằm giảm áp suất lên các đường ống. Trong trường hợp bầu lọc (6) bị tắc, van an toàn (5) sẽ mở để dầu đi thẳng lên đường dầu chính.

Trường hợp nhiệt độ dầu quá cao (khoảng 80°C): van (7) đóng một phần, dầu đi qua két làm mát (8) được hạ nhiệt rồi tiếp tục đưa đến các đường dầu để bôi trơn bề mặt chi tiết.

→ Các nguyên nhân dẫn tới nhiệt độ dầu quá cao, áp suất dầu vượt giá trị cho phép: Động cơ làm việc quá tải trong thời gian dài; dầu bôi trơn bị biến chất, mất tính năng bôi trơn; mức dầu trong các te quá thấp; bầu lọc bị tắc; bơm dầu bị hỏng hoặc hoạt động không đúng…

→ Tại sao và khi nào cần thay dầu bôi trơn? Dầu bôi trơn sau một thời gian sử dụng sẽ bị biến chất do nhiệt độ cao, bị lẫn tạp chất (mạt kim loại, muội than, bụi bẩn…), khiến khả năng bôi trơn và bảo vệ giảm sút. Do đó cần thay dầu định kỳ theo khuyến cáo của nhà sản xuất (thường sau mỗi 5.000 – 10.000 km đối với ô tô).

II. Hệ thống làm mát

1. Nhiệm vụ và phân loại

Nhiệm vụ: Hệ thống làm mát giữ cho nhiệt độ của các chi tiết trong động cơ không vượt quá giới hạn cho phép, đảm bảo điều kiện làm việc bình thường của động cơ đốt trong.

Phân loại: Căn cứ vào môi chất làm mát:

• Hệ thống làm mát bằng không khí.
• Hệ thống làm mát bằng chất lỏng (nước, dung dịch). Tuỳ vào tính chất lưu động của nước, có thể chia tiếp thành: bốc hơi, đối lưu tự nhiên, tuần hoàn cưỡng bức.

2. Hệ thống làm mát bằng nước (tuần hoàn cưỡng bức)

a) Cấu tạo

Nước được dùng làm môi chất trung gian tải nhiệt khỏi các chi tiết. Tốc độ lưu động của nước chủ yếu do bơm nước (10) quyết định. Hệ thống gồm các bộ phận chính: thân máy (1), nắp máy (2), đường nước nóng (3), van hằng nhiệt (4), két nước (5), giàn ống két nước (6), quạt gió (7), ống nước tắt (8), bơm nước (10) và ống phân phối nước lạnh (11).

b) Nguyên lí làm việc

Khi động cơ làm việc, nhiệt từ động cơ làm áo nước nóng dần lên. Nước làm mát có nhiệt độ thấp được bơm (10) hút từ bình chứa phía dưới két nước (5) qua các đường ống để làm mát các chi tiết.

• Khi nhiệt độ nước còn thấp (< 80°C): Van hằng nhiệt (4) đóng đường thông với két (5), mở hoàn toàn đường thông với ống (8) → nước chảy thẳng về bơm, không qua két → giúp nhiệt độ tăng nhanh, rút ngắn thời gian hâm nóng động cơ.
• Khi nhiệt độ nước đạt 80°C – 90°C: Van hằng nhiệt (4) mở cả hai đường thông với két (5) và ống (8) → một phần nước đi qua két được làm mát.
• Khi nhiệt độ nước vượt quá 90°C: Van hằng nhiệt (4) mở hoàn toàn đường thông với két (5), đóng đường thông với ống (8) → toàn bộ nước đi qua két được làm mát.

Nước nóng qua két (5) được làm mát nhờ quạt gió (7) hút không khí vào, sau đó nước làm mát được bơm (10) hút trở lại áo nước và tiếp tục vòng làm việc mới.

3. Hệ thống làm mát bằng không khí

a) Cấu tạo

Hệ thống có cấu tạo đơn giản, chủ yếu sử dụng ở động cơ xe máy. Gồm các cánh tản nhiệt được đúc bao ngoài xi lanh và nắp máy. Ở một số động cơ tĩnh tại nhiều xi lanh, để tăng hiệu suất làm mát còn có quạt gió được dẫn động từ trục khuỷu và các tấm hướng gió.

b) Nguyên lí làm việc

Nhiệt từ các chi tiết khi động cơ làm việc được truyền tới các cánh tản nhiệt rồi toả ra không khí. Quạt gió làm tăng lưu lượng gió để tăng hiệu quả làm mát. Các tấm hướng gió (3) có tác dụng phân phối không khí sao cho các xi lanh được làm mát đồng đều nhất.

→ Về nước làm mát: Hiện nay có hai loại nước làm mát chính: nước tinh khiết và nước có pha chất phụ gia. Khi pha thêm phụ gia vào nước làm mát, các chất phụ gia sẽ làm tăng khả năng làm mát, chống bay hơi, chống đóng cặn trong động cơ.

III. Hệ thống nhiên liệu

1. Hệ thống nhiên liệu động cơ xăng

a) Nhiệm vụ và phân loại

Hệ thống nhiên liệu động cơ xăng có nhiệm vụ dự trữ, cung cấp nhiên liệu và tạo thành hoà khí (hỗn hợp không khí – nhiên liệu) phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ.

Hiện nay có hai loại chính: hệ thống nhiên liệu dùng bộ chế hoà khí (cacbuarator) và hệ thống nhiên liệu dùng vòi phun (hệ thống phun xăng).

b) Hệ thống nhiên liệu dùng bộ chế hoà khí

Nguyên lí làm việc: Xăng từ thùng chứa (1) được bơm (3) hút qua lọc (2) đến buồng phao (4) của bộ chế hoà khí. Tại kì nạp, không khí được hút vào động cơ đi qua họng khuếch tán (6) với vận tốc cao, xăng được hút từ buồng phao qua gíc lơ (5) hoà trộn với không khí trở thành hoà khí và được nạp vào xi lanh. Lượng hoà khí nạp vào động cơ phụ thuộc vào độ mở của bướm ga (7), phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ.

c) Hệ thống phun xăng

Nguyên lí làm việc: Xăng được bơm xăng hút từ thùng xăng, qua bầu lọc và bộ điều chỉnh áp suất đến vòi phun với áp suất cao và ổn định. Sau đó xăng được phun vào đường ống nạp để hoà trộn cùng với không khí và nạp vào xi lanh. Bộ điều khiển phun nhận tín hiệu từ các cảm biến rồi điều khiển vòi phun để hoà khí có tỉ lệ phù hợp với các chế độ làm việc khác nhau.

2. Hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel

a) Nhiệm vụ và phân loại

Hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel có nhiệm vụ dự trữ, cung cấp không khí và dầu diesel vào trong xi lanh phù hợp với các chế độ làm việc.

Hiện nay có hai loại chính: hệ thống nhiên liệu diesel thông thường (sử dụng cơ khí và thuỷ lực để điều khiển) và hệ thống nhiên liệu diesel điều khiển điện tử.

b) Cấu tạo và nguyên lí làm việc

Nguyên lí làm việc: Khi động cơ làm việc, ở kì nạp, không khí được hút qua bầu lọc khí, qua đường ống nạp đi vào xi lanh. Dầu diesel được bơm hút từ thùng chứa qua bầu lọc thô đến bầu lọc tinh rồi đưa tới khoang chứa của bơm cao áp để tạo áp suất cao. Đến cuối kì nén, dầu diesel được vòi phun phun với áp suất cao vào trong xi lanh và hoà trộn với không khí có nhiệt độ và áp suất cao nên tự bốc cháy.

→ Các bầu lọc có thể hoán đổi vị trí được không? Không thể hoán đổi. Mỗi bầu lọc thô và lọc tinh đều có vai trò riêng. Nếu bị hoán đổi, hệ thống vẫn làm việc nhưng điều kiện không đảm bảo, cặn bẩn trong nhiên liệu có thể lọt sang bơm cao áp và bơm cao áp có thể nhanh bị hỏng.

IV. Hệ thống khởi động

1. Nhiệm vụ và phân loại

Nhiệm vụ: Hệ thống khởi động có nhiệm vụ làm quay trục khuỷu động cơ đến số vòng quay nhất định để động cơ có thể tự nổ máy được.

Phân loại: Gồm 4 loại: hệ thống khởi động bằng tay, bằng động cơ điện, bằng động cơ phụ, bằng khí nén.

2. Hệ thống khởi động bằng động cơ điện

Nguyên lí làm việc:

Khi khởi động: Khoá khởi động (8) được đóng → lõi thép của rơ le điện (10) bị hút sang trái → qua cần dẫn động (11), khớp bánh răng khởi động (12) được đẩy sang phải để vành răng ăn khớp với vành răng của bánh đà (14). Đồng thời tiếp điểm K-K đóng → đưa điện vào mạch stato (2), cổ góp (6), rô to (4) của động cơ điện khởi động → động cơ điện quay → mô men quay truyền qua vành răng bánh đà (14) → làm quay trục khuỷu động cơ đốt trong đến tốc độ cần thiết để khởi động.

Khi động cơ đã làm việc: Khoá khởi động (8) được tắt → ngắt dòng điện vào rơ le điện (10) → tiếp điểm K-K mở → động cơ điện dừng hoạt động. Đồng thời lò xo (9) đẩy rơ le (10) dịch chuyển sang phải (vị trí ban đầu) → khớp bánh răng khởi động (12) tách khỏi vành răng bánh đà (14).

→ Tại sao lò xo (9) đẩy được lõi thép rơ le điện (10) về vị trí ban đầu? Vì khi khởi động, rơ le điện sinh ra lực từ trường hút lõi thép sang trái đồng thời nén lò xo (9). Khi khoá khởi động (8) tắt, không có dòng điện qua rơ le điện, lực từ trường không còn, lúc này lò xo (9) hồi vị về trạng thái ban đầu và đẩy lõi thép rơ le điện (10) sang phải.

V. Hệ thống đánh lửa trên động cơ xăng

1. Nhiệm vụ và phân loại

Nhiệm vụ: Hệ thống đánh lửa có nhiệm vụ tạo ra tia lửa điện năng lượng cao để đốt cháy hoà khí trong xi lanh động cơ xăng đúng thời điểm.

Phân loại: Hệ thống đánh lửa thường (có tiếp điểm) và hệ thống đánh lửa điện tử (có tiếp điểm hoặc không có tiếp điểm).

2. Hệ thống đánh lửa thường, dùng acquy

Nguyên lí làm việc:

Khi động cơ làm việc, khoá điện (2) đóng, dòng điện sơ cấp từ cực dương của nguồn đi qua điện trở (3) tới cuộn sơ cấp W₁ của biến áp đánh lửa (5) rồi đến bộ tạo xung (7). Bộ tạo xung (7) có một cặp tiếp điểm (má vít) đóng mở do một trục cam, trục cam này đồng trục với bộ chia điện (9) và được dẫn động từ trục khuỷu.

Khi cặp tiếp điểm đóng, dòng điện sơ cấp đi qua tiếp điểm rồi về cực âm của nguồn. Khi trục cam quay làm cặp tiếp điểm mở, dòng sơ cấp đột ngột về không → gây biến thiên đột ngột từ thông → cảm ứng sang cuộn W₂ của biến áp đánh lửa (5) → sinh ra suất điện động cảm ứng E₂ rất cao (khoảng 15 kV – 20 kV). Điện thế này được dẫn đến bộ chia điện (9), qua con quay phân phối và dây cao áp (10) đến các bu gi (11) tạo ra tia lửa điện để đốt hỗn hợp trong xi lanh.

Vai trò của tụ điện (6): Tại thời điểm tiếp điểm mở, cuộn W₁ sinh ra suất điện động tự cảm E₁ khá cao (khoảng 200 V – 300 V) có thể tạo tia lửa điện tại tiếp điểm, làm giảm tuổi thọ. Nhờ tụ điện (6) lắp song song với tiếp điểm nên tia lửa điện được dập tắt hoặc giảm đáng kể.

Vai trò của khoá hỗ trợ khởi động (4): Khi khởi động bằng acquy, điện áp bị sụt nhiều do cung cấp cho động cơ điện khởi động → dòng sơ cấp nhỏ → E₂ nhỏ → chất lượng đánh lửa kém. Để khắc phục, khoá hỗ trợ khởi động (4) đóng, điện trở (3) bị nối tắt → dòng sơ cấp không bị giảm. Sau khi kết thúc khởi động, khoá (4) phải được mở ra.

→ Vai trò của lò xo (8): Lò xo (8) có nhiệm vụ đẩy má vít trong bộ tạo xung (7) tiếp xúc nhau. Nếu không có lò xo (8), má vít không tiếp xúc được, sẽ không sinh ra suất điện động cảm ứng E₂, bu gi không tạo ra tia lửa điện.

→ Nhược điểm chính của hệ thống đánh lửa thường dùng acquy: Đây là hệ thống dùng má vít (tiếp điểm), trong quá trình làm việc tại má vít xuất hiện tia lửa điện (mặc dù đã có tụ điện) làm tróc rỗ bề mặt tiếp điểm, dẫn đến chất lượng đánh lửa bị kém dần. Ngày nay hệ thống đánh lửa điện tử với chất lượng đánh lửa tốt ở mọi chế độ tốc độ đã thay thế phổ biến.

VI. Hệ thống xử lí khí thải của động cơ

1. Nhiệm vụ và phân loại

Nhiệm vụ: Hệ thống xử lí khí thải có nhiệm vụ xử lí, giảm bớt nồng độ các chất độc hại trong khí thải của động cơ trước khi thải ra môi trường.

Phân loại: Gồm hai loại chính: hệ thống xử lí khí thải sử dụng trên động cơ Diesel và hệ thống xử lí khí thải sử dụng trên động cơ xăng.

2. Hệ thống luân hồi khí thải EGR kết hợp bộ DOC và DPF trên động cơ Diesel

Cấu tạo:

• Hệ thống EGR (Exhaust Gas Recirculation): tuần hoàn khí thải.
• Bộ lọc DOC (Diesel Oxidation Catalyst): đốt cháy muội than, oxi hoá NO trên đường xả.
• Bộ lọc hạt DPF (Diesel Particulate Filter): loại bỏ thành phần PM (muội than, hạt mài…) trong khí thải.

Nguyên lí làm việc: Khí thải đi qua bộ xử lí oxi hoá DOC, các thành phần CO, HC và NO bị oxi hoá để tạo thành CO₂, H₂O và NO₂. Sau đó khí thải tiếp tục đi qua bộ lọc DPF để giữ lại PM. Một phần thích hợp khí thải sau khi ra khỏi DPF được đưa quay trở lại đường nạp thông qua van định lượng EGR để hoà trộn với khí nạp mới trước khi nạp vào xi lanh. Mục đích của luân hồi khí thải là để giảm phát thải NOx. Để đảm bảo nhiệt độ khí nạp không quá cao, khí luân hồi cần được làm mát.

→ Nhiệm vụ của van luân hồi EGR: Định lượng phù hợp lưu lượng khí thải quay trở lại đường nạp ở các chế độ làm việc của động cơ.

3. Bộ xử lí ba thành phần trên động cơ xăng

Cấu tạo: Bộ xử lí ba thành phần được bố trí nằm giữa đường ống thải động cơ và bộ giảm âm (gần đường ống thải hơn để tận dụng nhiệt lượng, nhiệt độ lí tưởng 200°C – 300°C). Vật liệu chế tạo là thép không gỉ, hình trụ tròn hoặc ô van. Bên trong gồm phần lõi và các lớp phủ chất xúc tác.

Nguyên lí làm việc: Khí thải đi qua bộ xử lí ba thành phần, các thành phần CO, HC và NO bị oxi hoá để tạo thành CO₂, H₂O và NO₂ dựa theo các phản ứng:

• Oxi hoá CO và HC với chất xúc tác Pt, Pd:

$$2CO + O_2 \xrightarrow{Pt, Pd} 2CO_2$$

$$HC + O_2 \xrightarrow{Pt, Pd} H_2O + CO_2$$

• Khử NO với chất xúc tác Rh:

$$2NO + 2CO \xrightarrow{Rh} N_2 + 2CO_2$$

Bộ xử lí ba thành phần bắt đầu được lắp đặt trên động cơ xăng từ năm 1975 và ngày nay trở nên rất phổ biến trên các phương tiện giao thông đường bộ sử dụng động cơ xăng.

B. Phương pháp giải các dạng bài tập

Dạng: Mô tả cấu tạo, giải thích nguyên lí làm việc và nhận biết các hệ thống trong ĐCĐT

Phương pháp giải:

• Nắm rõ nhiệm vụ, phân loại, cấu tạo và nguyên lí làm việc của từng hệ thống.
• Khi giải thích nguyên lí: mô tả theo trình tự dòng chảy (dầu, nước, nhiên liệu, dòng điện) từ đầu vào đến đầu ra, chú ý các trường hợp đặc biệt (áp suất vượt, nhiệt độ cao…).
• Khi nhận biết: xác định chi tiết đặc trưng của từng hệ thống (ví dụ: bu gi → đánh lửa, két nước → làm mát, bầu lọc → nhiên liệu…).

Bài tập Vận dụng (SGK trang 108)

Câu 1: Động cơ xe máy thường sử dụng hệ thống khởi động nào?

Hướng dẫn trả lời:

Động cơ xe máy thường sử dụng hai hệ thống khởi động: hệ thống khởi động bằng tay (đạp cần khởi động – còn gọi là đề chân) và hệ thống khởi động bằng động cơ điện (đề điện – sử dụng acquy cung cấp điện cho mô tơ đề). Hầu hết xe máy hiện đại đều trang bị cả hai hệ thống này.

Câu 2: Chi tiết đặc trưng của hệ thống đánh lửa sử dụng trên xe máy hoặc ô tô.

Hướng dẫn trả lời:

Chi tiết đặc trưng của hệ thống đánh lửa là bu gi. Bu gi là chi tiết cuối cùng trong hệ thống, có nhiệm vụ tạo ra tia lửa điện để đốt cháy hoà khí trong xi lanh. Ngoài ra, biến áp đánh lửa (bô bin) cũng là chi tiết đặc trưng giúp nhận biết hệ thống đánh lửa.

Bài tập Kết nối năng lực (SGK trang 108): Em hãy tìm hiểu và cho biết hiện nay có những giải pháp xử lí khí thải nào thường được sử dụng trên ô tô.

Hướng dẫn trả lời:

Hiện nay trên ô tô thường sử dụng các giải pháp xử lí khí thải sau:

• Bộ xử lí ba thành phần (Three-Way Catalyst): dùng trên động cơ xăng, xử lí CO, HC và NOx.
• Hệ thống luân hồi khí thải EGR kết hợp bộ DOC và DPF: dùng trên động cơ Diesel.
• Hệ thống SCR (Selective Catalytic Reduction) kết hợp với DOC và DPF: dùng trên xe tải, sử dụng dung dịch urea để khử NOx.
• Hệ thống CRT (Continuously Regenerating Trap): dùng trên xe tải.

C. Sơ đồ tư duy

                    ┌─ I. BÔI TRƠN
                    │  NV: giảm ma sát, nhiệt độ
                    │  PL: vung té │ qua NL │ cưỡng bức
                    │  Cưỡng bức: bơm → lọc → đường dầu
                    │  chính → bôi trơn → hồi các te
                    │
                    ├─ II. LÀM MÁT
                    │  NV: giữ nhiệt độ ĐC trong giới hạn
                    │  PL: bằng nước │ bằng không khí
                    │  Bằng nước: bơm → áo nước → két →
                    │  van hằng nhiệt điều tiết
                    │
                    ├─ III. NHIÊN LIỆU
  CÁC HỆ THỐNG    │  ĐC xăng: chế hoà khí │ phun xăng
  TRONG ĐCĐT ──────┤  ĐC Diesel: bơm cao áp → vòi phun
                    │  → tự bốc cháy
                    │
                    ├─ IV. KHỞI ĐỘNG
                    │  NV: quay trục khuỷu đến tốc độ
                    │  PL: tay │ ĐC điện │ ĐC phụ │ khí nén
                    │  ĐC điện: acquy → rơ le → ĐC điện
                    │  → bánh đà → trục khuỷu
                    │
                    ├─ V. ĐÁNH LỬA (ĐC xăng)
                    │  NV: tạo tia lửa điện đốt hoà khí
                    │  PL: thường │ điện tử
                    │  Thường: acquy → biến áp → bộ chia
                    │  điện → dây cao áp → bu gi
                    │
                    └─ VI. XỬ LÍ KHÍ THẢI
                       NV: giảm chất độc hại trước
                       khi thải ra môi trường
                       ĐC Diesel: EGR + DOC + DPF
                       ĐC xăng: Bộ xử lí ba thành phần
                       (xúc tác Pt, Pd, Rh)

ThS. Hồ Thị Thư

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Công Nghệ THPT

Trình độ: Cử nhân Sư phạm Công nghệ, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 10+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Hoàng Hoa Thám