GIÁO TRÌNH CẤU TẠO Ô TÔ (TẬP 1: ĐỘNG CƠ Ô TÔ)

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Cấu tạo ô tô (Tập 1: Động cơ ô tô) do TS. Nguyễn Đức Ngọc làm chủ biên cùng nhóm tác giả ThS. Đặng Ngọc Duyên, ThS. Nguyễn Tuấn Anh và ThS. Bùi Đức Tiến thuộc Bộ môn Kỹ thuật Ô tô, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Thủy lợi biên soạn; được Nhà xuất bản Bách khoa Hà Nội ấn hành. Giáo trình được phản biện chuyên môn bởi GS. Nguyễn Sỹ Dinh (Học viện Kỹ thuật Quân sự) và PGS. Trần Văn Như (Trường Đại học Giao thông Vận tải).

Trong chương trình đào tạo ngành Kỹ thuật Ô tô và các ngành kỹ thuật cơ khí động lực liên quan ở bậc đại học, cao đẳng và trung cấp chuyên nghiệp, đây là học phần cơ sở chuyên ngành bắt buộc, làm nền tảng cho các môn học chuyên sâu như Tính toán thiết kế động cơ, Chẩn đoán kỹ thuật ô tô và Bảo dưỡng sửa chữa ô tô.

Mục tiêu học tập của giáo trình là trang bị cho người học hệ thống tri thức hoàn chỉnh về nguyên lý nhiệt động lực học, chu trình công tác, cấu tạo chi tiết và cơ chế hoạt động của động cơ đốt trong trên ô tô. Người học sau khi hoàn thành học phần có khả năng phân tích kết cấu 2 cơ cấu chính (cơ cấu trục khuỷu thanh truyền, cơ cấu phân phối khí) và 5 hệ thống phụ trợ (hệ thống nhiên liệu - xả, hệ thống làm mát, hệ thống bôi trơn, hệ thống đánh lửa, hệ thống khởi động), đồng thời tiếp cận được các kết cấu nguồn động lực mới.

Giáo trình tiếp cận từ bức tranh tổng quan kỹ thuật phương tiện giao thông đường bộ, hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành (TCVN, QCVN, ISO) đến chi tiết hóa từng cụm kết cấu động cơ đốt trong. Cấu trúc nội dung gồm 1 tập mở đầu và 12 chương chuyên đề, trình bày tuần tự theo nguyên lý vận hành cơ học và mạch điều khiển điện tử tương ứng.

Nội dung kiến thức cốt lõi

                             GIÁO TRÌNH CẤU TẠO Ô TÔ (TẬP 1)
                                            │
        ┌───────────────────────────────────┼───────────────────────────────────┐
        ▼                                   ▼                                   ▼
[CƠ SỞ VÀ NGUYÊN LÝ]              [KẾT CẤU CƠ KHÍ ĐỘNG CƠ]             [CÁC HỆ THỐNG PHỤ TRỢ]
• Chương Mở đầu: Tổng quan ô tô   • Chương 2: Trục khuỷu thanh truyền  • Chương 4: Nhiên liệu xăng & EFI
• Chương 1: Cấu tạo & nguyên lý   • Chương 3: Cơ cấu phân phối khí     • Chương 5: Nhiên liệu Diesel & Common Rail
  động cơ 4 kỳ, 2 kỳ, I4, I6,       (VVT-i, VVTL-i, VTEC)              • Chương 6: Kiểm soát khí thải (EGR, CAT)
  Boxer, V, W                                                          • Chương 7: Hệ thống tăng áp (Turbo, Supercharger)
                                                                       • Chương 8: Hệ thống làm mát
                                                                       • Chương 9: Hệ thống bôi trơn
                                                                       • Chương 10: Hệ thống đánh lửa (DIS/COP)
                                                                       • Chương 11: Hệ thống khởi động
                                                                       • Chương 12: Động cơ Wankel, Hybrid, Điện, CNG/LPG

Các chương/chủ đề chính

  1. Chương mở đầu – Tổng quan về ô tô: Cung cấp định nghĩa ô tô theo TCVN 6211:2003; phân loại phương tiện theo TCVN 7271:2003; quy tắc giải mã số nhận dạng xe (VIN - Vehicle Identification Number) 17 ký tự theo chuẩn ISO 3833; các thông số kích thước, chất lượng và chỉ số hoạt động chính quy định tại QCVN 09:2015/BGTVT và QCVN 41:2019/BGTVT.
  2. Chương 1 – Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ đốt trong: Trình bày chu trình nhiệt động học 4 kỳ (nạp, nén, nổ, xả) và 2 kỳ của động cơ xăng và động cơ diesel; phân tích các thông số áp suất ($P$), nhiệt độ ($T$), tỷ số nén ($\varepsilon$), hiện tượng kích nổ và đánh lửa bề mặt; so sánh các dạng bố trí xi-lanh I4, I6, Boxer, V6/V10/V12 và W8/W12/W16 (điển hình như W16 trên Bugatti Chiron); giới thiệu cấu trúc tổng thể thân động cơ, 2 cơ cấu và 5 hệ thống kèm ví dụ động cơ EcoBoost 2.0L I4 của Ford.
  3. Chương 2 – Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền: Mô tả chi tiết nhóm chi tiết cố định (nắp máy, thân xi-lanh, các-te, gioăng nắp máy) và nhóm chi tiết chuyển động (pit-tông, chốt pit-tông, xéc-măng, thanh truyền, trục khuỷu, bánh đà); phân tích trật tự làm việc của động cơ 4 kỳ 4 xi-lanh và 6 xi-lanh thẳng hàng.
  4. Chương 3 – Bố trí và truyền động của cơ cấu phân phối khí: Khảo sát các dạng bố trí xu-páp, trục cam (SOHC, DOHC), bộ truyền động đai/xích, khe hở nhiệt, góc pha phân phối khí và nguyên lý làm việc của các cơ cấu biến thiên pha van: VVT-i, VVTL-i (Toyota) và VTEC (Honda).
  5. Chương 4 & Chương 5 – Hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ xăng và động cơ diesel: Phân tích từ bộ chế hòa khí cổ điển đến hệ thống phun xăng điện tử đa điểm (EFI, Motronic); đối với động cơ diesel: phân tích cấu tạo bơm cao áp dạng dãy (bơm PE kiểu A), bơm cao áp phân phối (bơm VE), vòi phun kín kiểu lỗ/trục và hệ thống phun dầu điện tử Common Rail.
  6. Chương 6 & Chương 7 – Hệ thống kiểm soát khí thải và tăng áp động cơ: Phân tích cơ chế phát sinh chất độc hại ($CO$, $HC$, $NO_x$); kết cấu bộ chuyển đổi xúc tác 3 thành phần, hệ thống tuần hoàn khí xả (EGR), hệ thống thu hồi hơi xăng (EVAP), thông gió hộp trục khuỷu (PCV); nguyên lý tăng áp cơ khí (Supercharger), tăng áp tua-bin khí xả (Turbocharger) và tăng áp sóng không khí (Comprex).
  7. Chương 8, 9, 10, 11 & 12 – Các hệ thống phụ trợ và nguồn động lực thay thế: Khảo sát hệ thống làm mát cưỡng bức dòng nước, van hằng nhiệt, ly hợp quạt; hệ thống bôi trơn áp lực qua bơm bánh răng/rô-to và dầu nhờn; hệ thống đánh lửa điện tử bán dẫn, đánh lửa trực tiếp (DIS); hệ thống máy khởi động điện một chiều; kết cấu động cơ pit-tông quay Wankel, cấu hình ô tô Hybrid, ô tô điện và động cơ sử dụng nhiên liệu cồn, khí nén thiên nhiên CNG, khí hóa lỏng LPG.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

  • Lý thuyết nhiệt động học động cơ đốt trong: Chu trình lý thuyết và đồ thị công chỉ thị $P-V$ của động cơ 4 kỳ và 2 kỳ; các công thức tính toán thể tích công tác ($V_h$), tổng thể tích ($V_a$), thể tích buồng cháy ($V_c$) và tỷ số nén ($\varepsilon = V_a / V_c$).
  • Nguyên lý chuyển hóa năng lượng cơ học: Cơ chế biến đổi chuyển động tịnh tiến qua lại của pit-tông thành chuyển động quay tròn của trục khuỷu thông qua thanh truyền.
  • Nguyên lý tạo hỗn hợp và động học dòng khí: Sự khác biệt giữa tạo hòa khí bên ngoài bằng bộ chế hòa khí/phun xăng gián tiếp và tạo hỗn hợp bên trong buồng đốt nhờ nén áp suất cao trên động cơ diesel; quy luật lưu chuyển môi chất nạp - xả và tuần hoàn khí thải.
  • Hệ thống hóa tiêu chuẩn kỹ thuật: Các khung pháp lý và phân loại xe cơ giới đường bộ Việt Nam (TCVN 6211:2003, TCVN 7271:2003, QCVN 09:2015/BGTVT, QCVN 41:2019/BGTVT) và quốc tế (ISO 3779, ISO 3833, chuẩn EPA).

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật: Đọc hiểu và phân tích bản vẽ kỹ thuật cơ khí, sơ đồ mặt cắt cấu tạo các cụm chi tiết động cơ, sơ đồ thủy lực bôi trơn - làm mát và sơ đồ mạch điện hệ thống đánh lửa, phun nhiên liệu.
  • Kỹ năng phân tích: Đánh giá các chỉ số vận hành và kinh tế (công suất $N_e$, mô-men xoắn $M_e$, suất tiêu hao nhiên liệu $g_e$ theo tốc độ quay $n$); nhận diện nguyên nhân các hiện tượng bất thường như cháy kích nổ, đánh lửa bề mặt hay tắc nghẽn bộ xúc tác.
  • Năng lực thực hành: Xác định vị trí, quy trình tháo lắp, kiểm tra và hiệu chỉnh các thông số kỹ thuật chuẩn (khe hở nhiệt xu-páp, góc đánh lửa sớm, áp suất nén buồng đốt, tỷ lệ hỗn hợp $\lambda$).

Phương pháp giảng dạy và học tập

Thành phần Đặc điểm triển khai trong giáo trình
Phương pháp tiếp cận Kết hợp lý thuyết nhiệt động lực học với phân tích trực quan sơ đồ kết cấu thực tế; diễn giải nguyên lý cơ bản trước khi đi vào các cơ cấu điều khiển điện tử nâng cao.
Hệ thống bài tập Tích hợp hệ thống câu hỏi ôn tập định lượng và định tính ở cuối mỗi chương, tập trung vào nguyên lý làm việc và giải thích cấu tạo.
Phân tích trường hợp (Case Study) Sử dụng các mô hình động cơ thực tế: động cơ EcoBoost 2.0L I4 (Ford), động cơ W16 (Bugatti), động cơ Boxer, hệ thống điều khiển động cơ Motronic (Bosch).
Phương pháp đánh giá Đánh giá qua bài kiểm tra lý thuyết chu trình $P-V$, phân tích sơ đồ hệ thống nhiên liệu/đánh lửa và thực hành nhận diện chi tiết, cân chỉnh thông số trên mô hình động cơ.
Hướng dẫn tự học Nghiên cứu tuần tự: Định nghĩa khái niệm $\rightarrow$ Sơ đồ nguyên lý $\rightarrow$ Cấu tạo chi tiết $\rightarrow$ Câu hỏi củng cố $\rightarrow$ Đối chiếu với tiêu chuẩn kỹ thuật quy định.

Điểm nổi bật và cập nhật

  • Cập nhật hệ thống văn bản pháp chuẩn: Giáo trình dẫn chiếu trực tiếp các tiêu chuẩn quốc gia và quy chuẩn kỹ thuật quốc gia chuyên ngành giao thông vận tải đang áp dụng tại Việt Nam: TCVN 6211:2003 (định nghĩa kiểu xe), TCVN 7271:2003 (phân loại ô tô), QCVN 09:2015/BGTVT (quy chuẩn chất lượng an toàn kỹ thuật phương tiện), QCVN 41:2019/BGTVT (quy chuẩn báo hiệu đường bộ), cùng hệ thống tiêu chuẩn quốc tế ISO 3779 và ISO 3833 về nhận dạng số khung xe (VIN).
  • Tích hợp các công nghệ điều khiển điện tử hiện đại: Bên cạnh các kết cấu cơ khí kinh điển, giáo trình mở rộng chi tiết các cơ cấu cơ điện tử tiên tiến trong ngành sản xuất ô tô:
    • Cơ cấu biến thiên pha phân phối khí và độ mở van: VVT-i, VVTL-i, VTEC.
    • Hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử: Motronic, phun xăng đơn điểm/đa điểm, hệ thống phun dầu điện tử Common Rail kết hợp van ngắt dầu điện từ.
    • Hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS) điều khiển góc đánh lửa sớm bằng vi xử lý bán dẫn.
    • Thiết bị xử lý phát thải: Bộ lọc xúc tác $NO_x$, bộ lọc xúc tác 3 thành phần, hệ thống van EGR điều khiển điện tử, hệ thống thông gió hộp trục khuỷu cưỡng bức PCV.
  • Gắn kết thực tiễn ngành công nghiệp chế tạo: Trích xuất thông số kỹ thuật và kết cấu động cơ thương mại: động cơ Ford EcoBoost 2.0L I4 ($200 - 252\text{ HP}$, mô-men xoắn $300 - 366\text{ Nm}$, $\varepsilon = 9{,}3:1$), động cơ diesel BMW, cấu trúc khối động cơ W16 góc hẹp $90^\circ$ 4 cụm tăng áp của Bugatti Chiron.
  • Mở rộng nguồn động lực mới: Bổ sung nội dung nghiên cứu về ô tô Hybrid, ô tô điện và các loại nhiên liệu thay thế (nhiên liệu cồn Ethanol, khí nén CNG, khí hóa lỏng LPG), phản ánh định hướng phát triển của ngành công nghiệp ô tô đương đại.

Đối tượng sử dụng giáo trình

                   ĐỐI TƯỢNG SỬ DỤNG VÀ YÊU CẦU TIÊN QUYẾT
                                      │
        ┌─────────────────────────────┼─────────────────────────────┐
        ▼                             ▼                             ▼
 [SINH VIÊN ĐẠI HỌC/CAO ĐẲNG]     [GIẢNG VIÊN CHUYÊN NGÀNH]     [KỸ SƯ & CÁN BỘ KỸ THUẬT]
 • Ngành: Kỹ thuật Ô tô,          • Làm giáo trình giảng dạy    • Tra cứu tài liệu kỹ thuật
   Cơ khí Động lực (Năm 2, 3)       chính khóa                  • Tham khảo quy chuẩn đăng kiểm
 • Học phần tiên quyết:           • Thiết kế bài giảng lý       • Nghiên cứu tại xưởng dịch vụ
   Vẽ kỹ thuật, Cơ học,             thuyết & phiếu thực hành      và trung tâm kiểm định
   Nguyên lý - Chi tiết máy,
   Nhiệt động học kỹ thuật
  • Sinh viên chuyên ngành: Tài liệu học tập bắt buộc cho sinh viên năm thứ hai hoặc năm thứ ba theo học các ngành Kỹ thuật Ô tô, Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Động lực tại các trường đại học, cao đẳng kỹ thuật.
  • Yêu cầu kiến thức tiên quyết: Người học cần có kiến thức nền tảng từ các học phần: Vẽ kỹ thuật và Dung sai lắp ghép, Cơ học lý thuyết, Sức bền vật liệu, Nguyên lý máy - Chi tiết máy và Nhiệt động lực học kỹ thuật.
  • Giảng viên chuyên ngành: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy chính thức cho học phần Cấu tạo ô tô 1, làm căn cứ xây dựng đề cương chi tiết môn học, biên soạn giáo án lý thuyết, bài giảng thực hành xưởng và thiết lập ngân hàng câu hỏi kiểm tra đánh giá.
  • Kỹ sư và cán bộ kỹ thuật: Tài liệu tra cứu tiêu chuẩn kết cấu, thông số kỹ thuật phục vụ công tác tại các cơ sở sửa chữa, trạm đăng kiểm phương tiện cơ giới, viện nghiên cứu và nhà máy sản xuất, lắp ráp ô tô.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với đối tượng nào?

Giáo trình được biên soạn phục vụ sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Ô tô, Cơ khí Động lực tại các trường đại học, cao đẳng, trung cấp chuyên nghiệp, đồng thời là tài liệu tham khảo cho kỹ sư, đăng kiểm viên và kỹ thuật viên ô tô.

2. Cần chuẩn bị kiến thức nền tảng nào trước khi học?

Người học cần hoàn thành các môn cơ sở ngành kỹ thuật cơ khí gồm: Hình họa - Vẽ kỹ thuật (để đọc bản vẽ chi tiết), Nguyên lý máy - Chi tiết máy (để hiểu cơ cấu truyền động) và Nhiệt động lực học (để nắm bắt chu trình biến đổi nhiệt năng thành cơ năng).

3. Điểm khác biệt của giáo trình này so với các tài liệu khác là gì?

Giáo trình tích hợp hệ thống quy chuẩn, tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành (TCVN 6211, TCVN 7271, QCVN 09:2015, QCVN 41:2019) song song với chuẩn quốc tế (ISO 3833); kết hợp phân tích các công nghệ điều khiển điện tử (VVT-i, Motronic, Common Rail, DIS) và bổ sung các dạng nguồn động lực mới (Hybrid, Điện, Wankel, CNG/LPG).

4. Phương pháp tự học giáo trình đạt hiệu quả cao?

Người học nên kết hợp nghiên cứu lý thuyết nhiệt động ở Chương 1 với việc đọc sơ đồ kết cấu ở các chương tiếp theo, sau đó tự trả lời toàn bộ hệ thống câu hỏi ôn tập cuối mỗi chương và đối chiếu cấu tạo trên các mô hình động cơ thực tế.

5. Bộ giáo trình có những tập nào và tài liệu liên quan?

Bộ giáo trình gồm hai phần: Tập 1: Động cơ ô tô (nghiên cứu nhóm thân máy, 2 cơ cấu và 5 hệ thống) và Tập 2: Khung gầm và các thiết bị phụ trợ của ô tô. Cuối sách có danh mục tài liệu tham khảo chuyên ngành trong và ngoài nước.

Kết luận

Giáo trình Cấu tạo ô tô (Tập 1: Động cơ ô tô) cung cấp hệ thống kiến thức chuẩn hóa, toàn diện về nguyên lý công tác và kết cấu cơ khí - điện tử của động cơ ô tô.

Lộ trình học tập bắt đầu từ các khái niệm, quy chuẩn phương tiện tại Chương mở đầu, đi qua nguyên lý nhiệt động học ở Chương 1, phân tích sâu 2 cơ cấu và 5 hệ thống phụ trợ từ Chương 2 đến Chương 11, kết thúc bằng các nguồn động lực mới ở Chương 12 và chuyển tiếp sang nội dung Khung gầm tại Tập 2. Nhóm tác giả cung cấp địa chỉ liên hệ chuyên môn tại Bộ môn Kỹ thuật Ô tô, Trường Đại học Thủy lợi (Email: ndn@tlu.vn) để tiếp nhận các đóng góp học thuật từ người đọc.