Hình ảnh chiếc xe gắn máy mô tô 2 bánh chắc chắn không xa lạ với người Việt Nam chúng ta. Một loại xe vận hành theo nguyên lý "động cơ đốt trong" và sử dụng nhiên liệu đa phần là xăng.

Có lẽ bạn đã từng thấy nhiều chiếc mô tô (motor) thuộc những hãng sản xuất xe mô tô trong các giải đua xe tốc độ cao MotorGP. Chiếc xe lao đi với vận tốc lên đến hàng trăm km/h. Hoặc, bạn thỉnh thoảng thấy và nghe tiếng âm thanh "thấu tai" từ những chiếc mô tô phân khối lớn lướt như chớp giật trên đường phố. Điều gì khiến chiếc xe mô tô 2 bánh trở nên bền bỉ và mạnh mẽ như thế?

Xe gắn máy mô tô 2 bánh trong trường đua MotorGP. Ảnh internet

Hàng ngày, bạn di chuyển cho công việc hoặc những chuyến du lịch xa đến vài ngàn km bằng xe gắn máy 2 bánh thông dụng. Chiếc xe tiết kiệm nhiên liệu, có sức chịu đựng đường dài và địa hình đồi dốc của Việt Nam. Có khi nào bạn nghĩ “tại sao chiếc xe đạt hiệu năng như thế?”

Truyền thông & Cuộc sống xanh kính gửi đến quý độc giả đôi điều thú vị về chiếc xe máy mô tô 2 bánh mà chúng ta dùng hàng ngày.

1. Động cơ đốt trong và ứng dụng thực tế

Thuật ngữ “động cơ đốt trong” có lẽ không xa lạ với cuộc sống. Bạn có thể đã biết qua nó trong các giờ vật lý của trường phổ thông. Vậy, động cơ đốt trong là gì mà nó được truyền thông nhắc đến và áp dụng nhiều trong thực tiễn như vậy?

Động cơ đốt trong - Internal combustion engine (ICE) là gì?

ICE là động cơ nhiệt. Nó hoạt động dựa theo cơ chế đốt cháy nhiên liệu trong buồng đốt. Trong hệ thống ICE, hỗn hợp khí và nhiên liệu cùng bugi đánh lửa tạo ra vụ nổ. Từ đó, nhiệt độ cao và áp suất lớn được gây ra do quá trình đốt cháy.

Động cơ đốt trong đang vận hành qua 4 giai đoạn (4 thì). Ảnh internet

Cấu tạo động cơ đốt trong 4 thì. Ảnh internet

Một số thành phần chính yếu tham gia vào việc vận hành buồng đốt là piston, bugi đánh lửa (Spark plug), van nạp khí (Intake Valve) và van xả khí (Exhaust Valve).v.v. Khi vụ nổ xảy ra tạo áp suất thay đổi lớn và lực nén tác động trực tiếp lên piston, khiến nó di chuyển tịnh tiến trong xi-lanh (cylinder). Piston có kết nối với thành phần khác qua tay dên hay thanh chuyền (connecting rod), để chuyển động tịnh tiến của piston được đổi thành chuyển động tròn nơi bộ phận khác.

Ứng dụng thực tế của động cơ đốt trong

Hiện nay, đa phần động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu là xăng hoặc dầu diesel. ICE được ứng dụng rất nhiều trong đời sống nơi phương tiện di động và thiết bị cố định như động cơ xe tải, xe gắn máy 2 bánh, tàu thuyền, máy phát điện các thiết bị dùng xăng dầu…

Riêng đối với phương tiện di chuyển, ngoài xe có tải trọng hàng tấn hoặc xe ô-tô con, xe gắn máy mô tô 2 bánh sử dụng ICE phổ biến.

2. Công nghệ xe gắn máy mô tô 2 bánh

Lịch sử phát triển công nghiệp xe gắn máy mô tô 2 bánh là một quá trình dài từ nửa cuối thế kỉ 19. Chiếc xe máy dùng động cơ đốt trong được Etienne Lenoir cho ra đời từ ý tưởng xe đạp có gắn động cơ. ​Ngoài ra, hai nhà sáng chế Pierre Michaux và Louis-Guillaume Perreaux đã thực hiện chiếc xe đạp gắn động cơ hơi nước mang tên Michaux-Perreaux tại Pháp vào năm 1868-1869. Kể từ đó, ngành công nghiệp xe máy 2 bánh đánh dấu sự khởi đầu.

Etienne Lenoir cho ra đời từ ý tưởng xe đạp có gắn động cơ. Ảnh internet

Vẫn còn đang có tranh cãi về tác giả của chiếc xe đầu tiên này, do ghi nhận về tuổi của Perreaux trong bằng sáng chế. Tuy nhiên, phần lớn đều công nhận là xe gắn máy Michaux-Perreaux.

Trải qua giòng thời gian đến nay, ngành công nghiệp xe gắn máy thay đổi rất lớn. Có nhiều tập đoàn đa quốc gia sản xuất xe gắn máy mô tô 2 bánh từ dòng phổ thông đến cao cấp: Yamaha, Honda, BWN, Suzuki, Piaggio, SYM, Triumph, Harley Davidson, Ducati.v.v. Tại Việt Nam, phổ biến hơn vẫn là các thương hiệu đến từ Nhật Bản.

Về khía cạnh công nghệ, 2 loại được sử dụng phổ biến trong xe gắn máy mô tô 2 bánh hiện nay là công nghệ bộ chế hòa khí và phun xăng điện tử.

3. Công nghệ bộ chế hòa khí

Bộ chế hòa khí (carburetor) xe máy là bộ phận thực hiện chức năng hòa trộn không khí với nhiên liệu. Hỗn hợp được dẫn vào buồng đốt của động cơ đốt trong qua van nạp. Hoạt động của động cơ xe gắn máy mô tô 2 bánh sử dụng công nghệ bộ chế hòa khí. Điều đó phụ thuộc lớn vào sự khác biệt áp suất xảy ra trong buồng đốt cho việc vận hành chiếc xe.

Cơ chế hoạt động của bộ chế hòa khí

Để đơn giản hóa, việc hoạt động của bộ chế hòa khí – bình xăng con - chỉ đề cập đến kỹ thuật cơ bản nhất. Bình xăng con được dùng phổ biến hiện nay trong một số phiên bản cũ của xe gắn máy mô tô 2 bánh. Khi bộ chế hòa khí vận hành, nó hình thành một chân không, cho phép không khí được hút ngoài vào qua một bộ lọc để làm sạch không khí. Dòng khí di chuyển cùng với xăng được hút lên từ buồng phao (float chamber).

Các thành phần của bộ chế hòa khí (bình xăng con). Ảnh internet

Không khí được hút, đi qua một van ở cuối ống nối với cylinder của buồng đốt. Van này được gọi là van tiết lưu (throttle valve/plate) hay bướm ga, được kết nối với tay ga của xe hai bánh, và điều khiển dòng khí-nhiên liệu thông qua đầu vào bướm ga. Khi bạn vặn tay ga, bướm ga sẽ mở ra, cho phép một luồng không khí lưu thông qua bộ chế hòa khí. Ngược lại, bướm ga đóng dần khi bạn giảm trở về.

Hỗn hợp không khí và nhiên liệu được phun vào buồng đốt, trong đó, có bugi đánh tia lửa điện và đốt cháy hỗn hợp. Sự cháy tạo ra vụ nổ và lực đẩy piston di chuyển tịnh tiến, làm quay trục khuỷu. Các bộ phận khác cùng hoạt động khi có lực tương tác và làm cho xe di chuyển.

Bộ chế hòa khí sử dụng các thành phần để cùng hỗ trợ như: màng ngăn (diaphragm), van kim (needle valve), bộ lọc không khí (air cleaner), bướm gió (choke valve/plate), ống tiết lưu (venturi), buồng phao (float chamber), phao (float), float valve (van phao), cần phao (float arm), và đường nhiên liệu (jet). Các thành phần cùng tham gia vào một quy trình điều khiển hỗn hợp không khí-nhiên liệu.

Hoạt động của bộ chế hòa khí. Ảnh internet

Tuy nhiên, có điểm quan trọng, đó là, toàn bộ tiến trình hoạt động đơn giản và không có thiết bị điện tử hoặc cảm biến nào. Hoạt động của bình xăng con khác biệt với công nghệ đầu phun xăng điện tử được đề cập ở nội dung dưới. Do đó, bộ chế hòa khí có ưu và khuyết điểm cụ thể.

Ưu điểm công nghệ bộ chế hòa khí

Với nguyên lý hoạt động đơn giản, cho nên, chi phí mua xe thấp. Vì đơn giản và mang tính cơ học, việc bảo trì và sửa chữa có thể thực hiện được và khá dễ dàng. Người dùng có thể tự tinh chỉnh theo nhu cầu cá nhân.

Thao tác với bộ chế hòa khí thao tác dễ dàng. Ảnh internet

Bộ chế hòa khí được tích hợp riêng biệt với động cơ, do đó, có thể dễ dàng tháo lắp hoặc thay thế mà không ảnh hưởng đến động cơ.

Khuyết điểm công nghệ bộ chế hòa khí

Không phải là hệ thống hiệu quả nhất. Tuổi đời của công nghệ cao cho nên thiết kế lạc hậu. Hơn nữa, đa phần bình xăng con có độ trễ làm cho phản ứng ga (kéo/nhả ga) làm tốc độ xe bị ảnh hưởng.

Các bộ phận của bộ chế hòa khí dễ bị hao mòn và phải thay thế thường xuyên. Tỉ lệ hỗn hợp của nhiên liệu không khí có thể không phải lúc nào cũng giống nhau và cần được điều chỉnh thường xuyên.

Có khả năng bụi lọt vào khoang của bộ chế hòa khí dẫn đến tắc nghẽn. Các bộ phận của màng chắn rất mỏng manh nên có thể dễ bị hư hỏng.

Quá trình đốt cháy hỗn hợp không khí và xăng không hoàn toàn. Điều này dẫn đến việc suy hao nhiên liệu cao, độ êm “lướt” của động cơ do sự dao động không cố định của hỗn hợp, và vấn đề khí thải ra môi trường.

4. Công nghệ phun xăng điện tử

Từ khi xe gắn máy mô tô 2 bánh được khai sinh ở Pháp và cải tiến cho đến nay, công nghệ sản xuất xe gắn máy có nhiều thay đổi đáng kể. Do công nghệ bộ chế hòa khí còn mang nhiều khuyết điểm, các kĩ sư thiết kế đã đưa ra công nghệ phun xăng điện tử (Fuel injection - Fi).

Công nghệ phun xăng điện tử (Fuel Injection - Fi). Ảnh internet

Về khía cạnh lịch sử, công nghệ Fi đã được ra mắt vào năm 1980. Công nghệ đánh dấu cuộc cách mạng xe sử dụng động cơ đốt trong và hơn 40 năm thời gian phát triển đến nay. Việc áp dụng công nghệ Fi, không chỉ có xe gắn máy mô tô 2 bánh, xe ô tô con hay vận tải cũng được sử dụng; đặc biệt trong các thế hệ xe đời mới. Rất nhiều hãng sản xuất xe đã đang áp dụng công nghệ Fi để thay thế dần cho công nghệ bộ chế hòa khí truyền thống.

Cơ chế hoạt động của Fi

Hệ thống phun xăng điện tử Fi hoạt động theo nguyên lý tín hiệu số. Các kĩ sư phát triển tích hợp bộ điều khiển động cơ (Engine Control Unit - ECU) hoặc Engine Control Module (ECM) vào hệ thống của xe. Bản chất ECU là một bộ vi xử lý hoặc là máy tính nhỏ. Ngoài các bộ phận hoạt động theo nguyên lý hóa học và cơ năng, hệ thống có sử dụng thêm nhiều cảm biến (sensor). Chúng có nhiệm vụ gửi tín hiệu đến ECU khi xe vận hành. ECU phân tích tình trạng bằng số hóa và tính toán lượng nhiên liệu cần thiết để duy trì việc vận hành của xe.

Với động cơ xe máy chế hòa khí truyền thống, hệ thống hoạt động trên nền tảng trộn nhiên liệu và không khí theo tỷ lệ thích hợp để đốt cháy. Khi bạn tăng tốc (vặn tay ga), bộ chế hòa khí sẽ hút nhiều nhiên liệu và không khí đưa vào buồng đốt. Công nghệ Fi thì khác hẳn, ECU kiểm soát lượng khí nạp vào và nhiên liệu. Nó “ra lệnh” cho kim phun nhiên liệu (fuel injector) phun xăng trực tiếp (có thể gián tiếp) vào buồng đốt. Bugi đánh lửa đốt luồng hỗn hợp khí được dẫn vào qua van nạp (Intake valve) cùng với xăng được phun, tạo nên vụ nổ và áp lực đẩy piston vận hành. Khí thải thoát theo van xả (Exhaust valve).

Cơ chế hoạt động của công nghệ phun xăng điện tử Fi. Ảnh internet

Có thể bạn đọc sẽ thắc mặc rằng, ECU dựa vào thông tin nào để “ra lệnh” cho fuel injector phun xăng chính xác lượng cần thiết và đúng thời điểm? Đó là dựa sự tổng hợp thông tin được gửi tới từ nhiều sensors. Một số cảm biến tác động lớn vào việc điều khiển lượng phun nhiên liệu như cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến nhiệt độ khí nạp, cảm biến oxygen, và cảm biến áp suất đường ống khí nạp.

Cảm biến vị trí bướm ga (Throttle Position -TP)

vị trí bướm ga được gắn vào van bướm (butterfly valve) và tay ga, để xác định độ mở của van bướm. Nó hoạt động giống như một biến trở. Khi kéo tay ga, trục bướm ga kéo con trượt di chuyển trên bề mặt biến trở làm thay đổi điện trở, và điện áp đầu ra cũng thay đổi. Sự thay đổi điện áp này sẽ được cấp cho ECU.

Tương tự, khi nhả tay ga, điện áp gửi về ECU giảm dần. Sau đó, điện áp này được gửi về ECU để xác định góc mở của bướm ga nhằm điều chỉnh lượng xăng phù hợp.

Cảm biến nhiệt độ khí nạp (Intake Air Temperature - IAT)

Cảm biến này theo dõi và phát hiện nhiệt độ tại đường ống nạp nhiệt độ của không khí đi vào động cơ. Dữ liệu nhiệt độ không khí đầu vào sẽ được cấp cho ECU, và sau đó, ECU sẽ tính toán mật độ không khí dựa trên nhiệt độ đường khí đi vào.

Cảm biến nhiệt độ khí nạp (Intake Air Temperature - IAT). Ảnh internet

Khi nhiệt độ không khí tăng, nếu ở mức lớn hơn 20^oC, đồng nghĩa mật độ không khí giảm. Hệ thống nhận được ít phân tử khí hơn trong mỗi chu kỳ động cơ. ECU sẽ chỉ định giảm lượng phun nhiên liệu đến fuel injector.

Ngược lại, khi nhiệt độ không khí giảm, ECU sẽ phát tín hiệu đến fuel injector tăng lượng nhiên liệu cấp cho buồng đốt. Chính vì vậy, nó giúp giữ tỷ lệ hòa khí được đảm bảo theo nhiệt độ quy định.

Cảm biến Oxy (Oxygen sensor hay O₂ sensor)

Cảm biến này được đặt ở phía ống xả của động cơ, để xác định thành phần khí xả. Cảm biến sẽ phát hiện nồng độ oxy có trong khí thải, để phát hiện xem hòa khí có cháy hoàn toàn hay không.

Cảm biến oxygen. Ảnh internet

Nếu nồng độ oxygen cao, cho biết hỗn hợp hòa khí thiếu xăng để đốt cháy. Khi đó, cảm biến oxy gửi tín hiệu về ECU để tăng lượng phun xăng. Và ngược lại, nồng độ oxygen thấp hay thiếu oxy, cho biết là dư xăng, cảm biến oxy sẽ gửi tín hiệu về ECU để điều khiển giảm lượng xăng được phun vào buồng đốt. Nhờ cơ chế này mà công suất động cơ luôn được đảm bảo, tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải.

Cảm biến oxy còn được là cảm biến Lamda. Một loại cảm biến đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì chính xác tỉ lệ không khí và nhiên liệu. Do đó, nếu nó bị hư hỏng sẽ ảnh hưởng xấu đến hiệu suất của động cơ xe gắn máy mô tô 2 bánh.

Cảm biến áp suất đường ống khí nạp (Manifold Absolute Pressure - MAP)

Khi xe vận hành trên núi và đi trên mặt đất bằng phẳng, áp suất không khí sự thay đổi rất nhiều. Áp suất không khí thay đổi, mật độ không khí cũng thay đổi tương tự. Trên núi cao có ít không khí hơn, hoặc mật độ không khí thấp hơn so với mặt bằng phẳng.

Cảm biến MAP xác định áp suất không khí trong đường ống nạp vào buồng đốt. Nó gửi tín hiệu về ECU để tăng thêm lượng nhiên liệu cung cấp khi xe leo dốc hay tăng gia tốc, và giảm lượng xăng phun khi xe máy giảm ga đột ngột hoặc thả dốc.

Ưu điểm công nghệ phun xăng điện tử

Hệ thống hoạt động nhịp nhàng theo cơ chế truyền – nhận tín hiệu điện tử là những luồng thông tin nhị phân. Do đó, khả năng phân tích chính xác cao. Kết qua sự chính xác làm cho hỗn hợp khí và nhiên liệu được đốt sạch, khiến cho năng suất hoạt động đạt hiệu quả hơn. Điều này tiết kiệm nhiên liệu và xe duy trì liên tục trên quãng đường dài.

Phun xăng trực tiếp và hoạt động của buồng đốt trong công nghệ Fi. Ảnh internet

Phản ứng của hệ thống khi bạn kéo/nhả ga trở nên nhanh nhạy và “bén”. Hơn nữa, so với bộ chế hòa khí, hệ thống Fi cải thiện nhiều khuyết điểm. Thời gian thay thế và bảo dưỡng ít hơn.

Khuyết điểm công nghệ phun xăng điện thử

Công nghệ Fi khắc phục khuyết điểm của bộ chế hòa khí và mang lại rất nhiều cải tiếng cho động cơ. Tuy nhiên, nó còn có một số điều mà các kĩ sư và người dùng đang quan tâm. Đó là:

- Giá thành cao hơn so với xe dùng bình xăng con truyền thống. Do ECU là “đầu não trung tâm” của xe gắn máy mô tô 2 bánh, nếu nó bị lỗi, sẽ gây ảnh hưởng gần như toàn bộ hoạt động của xe.

- Để kiểm tra và đọc thông tin của hệ thống Fi, cụ thể với ECU, cần có thiết bị tháo lắp chuyên dụng. Khi xe bị hư hỏng hay cần bảo trì, người thao tác cần có kiến thức chuyên môn về hệ thống Fi. Do đó, chi phí bảo trì cao.

5. Lời kết

Do tính cơ động và nhỏ gọn, xe gắn máy mô tô 2 bánh được người Việt dùng để di chuyển hàng ngày gần chủ yếu. Vào thập niên 90s trở về trước và đầu những năm 2000, giá thành của xe còn quá cao, do nhiều dòng xe được nhập nguyên chiếc từ nước ngoài. Hiện nay, các tập đoàn sản xuất xe gắn máy đã đặt nhà máy tại Việt Nam và xe được sản xuất để phục vụ trong nước. Chính vì thế, giá thành giảm đi đáng kể. Nhiều bộ phận người Việt có thể sở hữu xe để làm phương tiện cá nhân.

Thị trường xe gắn máy mô tô 2 bánh rất sôi động. Mỗi năm, các hãng sản xuất xe đều cho ra nhiều phiên bản mới với công nghệ Fi được cải tiến dần. Các phiên bản với mẫu mã đẹp cùng nhiều cấp phân khối, từ 110cc, 125cc, 150cc.v.v. Tuy nhiên, một số thể loại xe nhập từ nước ngoài có dung tích cylinder từ vài trăm đến hơn 1000cc.

Dây chuyền sản xuất xe máy. Ảnh internet

Với công nghệ phun xăng điện tử Fi, thiết kế và kĩ thuật đã đang phát triển hơn 40 năm. Công nghệ ngày càng trở nên thú vị, vì có sự xuất hiện của công nghệ thông tin trong chiếc xe gắn máy mô tô 2 bánh. Ngoài việc áp dụng khoa học cơ bản là hóa học và vật lý, các kĩ sư phát triển vận dụng xử lý tín hiệu số - một ngành của khoa học máy tính – vào việc vận hành của xe.

Bộ điều khiển động cơ (Engine Control Unit- ECU). Ảnh internet

Khi bạn sử dụng chiếc xe gắn máy mô tô 2 bánh, có thể sẽ phát sinh những hỏng hóc hoặc cần nâng cấp  theo ý muốn (tạm gọi là “độ” xe). Điều sẽ tuyệt vời hơn rằng, nếu bạn tự tay chăm sóc chiếc xe thân yêu của mình. Có thể lúc nào đó bạn sẽ có câu hỏi:

- Sẽ xử lý ra sao khi những vấn đề hỏng hóc của xe liên quan đến Fuel Injector và các cảm biến??

- Sử dụng bugi nào để cho khả năng đốt cháy cao nhất?

- Loại nhớt nào phù hợp xe đang dùng trong chuyến đi xa với hàng ngàn km?

- Bộ truyền động (nhông – sên – dĩa) nào nên dùng?

- Piston, bố nồi là gì? Cần sử dụng và phải bảo trì hoặc thay thế khi nào?

- Kéo ga, nhưng xe bị đì và không ngọt máy?

Để chi tiết hóa và đáp ứng giải đáp, Truyền thông & Cuộc sống xanh sẽ có chia sẻ rõ hơn trong những bài sau. Mong quý bạn đọc vui lòng đóng góp ý kiến và gửi đến email ttcuocsongxanh@gmail.com để ban biên tập cải tiến nội dung được tốt hơn.