Mặc dù có những điểm tương đồng nhất định giữa các kiểu động cơ có 4 xy-lanh và 6 xy-lanh, nhưng chúng cũng có những khác biệt rõ rệt do số lượng xy-lanh, cách sắp xếp và ứng dụng thực tế. Vì lý do này, một số loại ô tô sẽ phù hợp hơn với cỡ động cơ ít xy-lanh hơn, trong khi những loại ô tô khác sẽ phù hợp hơn với cỡ động cơ còn lại.
Đối với hầu hết những người đang ở sử dụng ô tô cho cuộc sống hàng ngày trên khắp thế giới, xe của họ được trang bị một trong số hai loại động cơ: hoặc là loại 4 xy-lanh khiêm tốn nhưng hoạt động chăm chỉ hoặc động cơ 6 xy-lanh vừa mạnh mẽ, vừa êm ái và ổn định. Chắc chắn, không ít người có thể khao khát sở hữu những chiếc xe thể thao hoặc siêu xe với động cơ V8 hay thậm chí là V12 đầy cảm hứng và đam mê, nhưng đó không phải là thực tế đối với số đông.
Thông thường, những chiếc xe hạng phổ thông nhỏ hơn sẽ phù hợp hơn với động cơ 4 xy-lanh, trong khi một chiếc xe cần ưu tiên hiệu năng vận hành thường sẽ ưu tiên động cơ 6 xy-lanh lớn. Sau đây là một số điểm khác biệt chính giữa các loại động cơ 4 xy-lanh và 6 xy-lanh, những ưu và nhược điểm nội tại của chúng cũng như vai trò tương ứng của chúng trong bối cảnh ô tô hiện đại ngày nay và làm sao để lựa chọn loại động cơ phù hợp với nhu cầu sử dụng.
Điểm chung của động cơ 4 xy-lanh và động cơ 6 xy-lanh: đều là động cơ đốt trong 4 kỳ
Một khối động cơ đốt trong phổ thông hiện nay hoạt động với 4 kỳ (quá trình) lặp đi lặp lại liên tục. 4 kỳ cụ thể như sau:
- Kỳ nạp (kỳ hút): Van nạp sẽ được mở ra và van xả sẽ đóng lại. Piston chuyển động giúp nạp hỗn hợp không khí và nhiên liệu vào xy-lanh. Quá trình nạp này bắt đầu khi piston ở vị trí điểm chết trên và kết thúc khi piston ở vị trí điểm chết dưới.
- Kỳ nén: Cả hai van nạp, xả đóng, piston thực hiện việc nén hỗn hợp khí và nhiên liệu trong xy-lanh. Ở cuối kỳ nén, khi piston chuyển động đến điểm chết trên, hỗn hợp trên sẽ được đốt cháy bởi bộ phận đánh lửa (bugi) đối với động cơ xăng hoặc sẽ tự đốt cháy đối với động cơ diesel.
- Kỳ nổ (sinh công): Hai van nạp và xả vẫn đóng. Nhiệt độ và áp suất tăng do quá trình đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và khí, làm piston chuyển động từ điểm chết trên đến điểm chết dưới. Quá trình này tạo nên chuyển động quay của trục khuỷu. Tại điểm kết thúc của kỳ nổ (piston ở điểm chết dưới), van xả bắt đầu mở để chuẩn bị cho chu kỳ tiếp theo.
- Kỳ xả: Van xả mở, van nạp đóng. Piston chuyển động từ điểm chết dưới lên điểm chết trên, khí trong xy-lanh được đẩy ra bên ngoài môi trường. Kết thúc chu kỳ, van xả đóng, van nạp mở để bắt đầu cho một kỳ làm việc mới.
Cả hai loại động cơ 4 xy-lanh và động cơ 6 xy-lanh đều là động cơ đốt trong 4 kỳ và có cơ chế hoạt động giống nhau, chỉ khác ở số lượng xy-lanh.
Động cơ 4 xy-lanh: hướng tới đơn giản và gọn gàng
Không có một thiết kế động cơ nào là hoàn hảo cho tất cả các ứng dụng, do đó mỗi cách bố trí động cơ sẽ có những mặt tích cực và tiêu cực riêng. Ưu điểm nổi bật nhất của động cơ 4 xy-lanh là chi phí sản xuất rẻ, dễ dàng đặt hàng số lượng lớn mà không tốn quá nhiều tiền, đồng thời có kích thước đủ nhỏ gọn để lắp đặt trong phần lớn các cấu trúc thiết kế khung gầm ô tô.
Hơn nữa, động cơ 4 xy-lanh thường không phải là lựa chọn lý tưởng nhất để theo đuổi những con số công suất lớn, điều đó có nghĩa là chúng thường vận hành với áp suất tương đối thấp và không quá khó khăn để bảo trì thường xuyên. Động cơ 4 xy-lanh thường có khả năng tiết kiệm nhiên liệu ấn tượng vì điều này phù hợp với phần lớn các ứng dụng, chẳng hạn như xe gia đình, xe đô thị và xe dùng để đi làm hàng ngày. Những mẫu xe ưu tiên hiệu năng thì đã được xác định sẽ cần kiểu động cơ dung tích lớn hơn với nhiều xy-lanh hơn.
Một lợi ích của động cơ 4 xy-lanh là kích thước vật lý nhỏ hơn, có nghĩa là các kỹ sư có thể nhồi nhét chúng vào những vị trí chặt chẽ hơn, theo chiều dọc hoặc chiều ngang. Điều này có nghĩa là động cơ 4 xy-lanh thường sẽ là động cơ được lựa chọn cho ô tô dẫn động cầu trước, vốn phải đóng gói nhiều bộ phận cơ khí vào một không gian nhỏ. Hơn nữa, động cơ 4 xy-lanh thường sẽ nhẹ hơn, điều này giúp giảm khối lượng của xe, mang lại lợi ích cả về tính kinh tế và hiệu năng.
Tuy nhiên, do kích thước nhỏ hơn nên động cơ 4 xy-lanh thường kém mạnh so với các loại động cơ lớn hơn. Công suất đầu ra có thể được tăng cường nhờ turbo tăng áp hoặc bộ siêu nạp, nhưng những cách này cũng áp dụng được cho động cơ lớn hơn. Vì động cơ 4 xy-lanh tạo ra ít công suất và mô-men xoắn hơn nên chúng thường phải làm việc vất vả hơn các động cơ lớn hơn để có thể giữ cho ô tô chuyển động. Điều này có thể khiến động cơ bị hao mòn sớm hơn, dẫn đến tuổi thọ tương đối không được lâu dài cho lắm.
Động cơ 6 xy-lanh: giải pháp cân bằng giữa hiệu năng và độ phức tạp
Với cùng một kiểu động cơ, số lượng xy-lanh nhiều hơn thường tương đương với nhiều sức mạnh hơn, vì động cơ lớn hơn và đốt cháy nhiều hơn, điều này đương nhiên sẽ tạo ra nhiều công suất hơn. Đó chính là ưu điểm dễ nhận thấy nhất của động cơ 6 xy-lanh so với động cơ 4 xy-lanh. Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là mọi động cơ 6 xy-lanh sẽ mạnh hơn mọi động cơ 4 xy-lanh, vì còn có nhiều thứ khác ngoài số lượng xy-lanh. Chẳng hạn, động cơ 4 xy-lanh dung tích 2.5L được bổ trợ thêm bởi turbo tăng áp hoặc siêu nạp hoàn toàn có thể mang lại công suất lớn hơn so với động cơ 6 xy-lanh 3.0L hút khí tự nhiên.
Trong khi các nhà sản xuất xe hơi phổ thông thường ưu tiên động cơ 4 xy-lanh, thì các thương hiệu ô tô hạng sang hầu như luôn lựa chọn động cơ 6 xy-lanh lớn hơn và đặc biệt là động cơ 6 xy-lanh thẳng hàng (I6). Sở dĩ có điều này là do động cơ 6 xy-lanh thẳng hàng nổi tiếng hoạt động êm ái, yên tĩnh và không bị rung quá mức do chúng được cân bằng cơ học tốt một cách tự nhiên. Cân bằng cơ học tốt có nghĩa là khi một xy-lanh đang trải qua kỳ nổ, nó sẽ được cân bằng bởi một xy-lanh khác đang thực hiện kỳ nạp.
Tuy nhiên, một số nhà sản xuất sẽ thích động cơ V6 hơn I6 vì chúng thường nhẹ hơn và thường hiệu quả hơn về tỷ lệ công suất trên mỗi lít dung tích xy-lanh.
Động cơ 6 xy-lanh: lựa chọn giữa V6 và I6
Khác với trường hợp của động cơ 4 xy-lanh hiện nay chỉ phổ biến loại 4 xy-lanh thẳng hàng (I4) vì loại V4 kém hiệu quả, thì đối với động cơ 6 xy-lanh vẫn đang tồn tại cả hai kiểu V6 và I6, mỗi kiểu có những ứng dụng riêng.
Từ thuở sơ khai, động cơ V6 ra đời với mục đích chính là giúp cho kích thước động cơ 6 xy-lanh được gọn gàng hơn. Đó là bởi vì kiểu động cơ I6 sẽ khó có thể đặt vừa vặn vào một khoang động cơ chật hẹp, chiều dài của nó sẽ buộc các nhà thiết kế sẽ phải điều chỉnh lại kích thước khung gầm và cung cấp nhiều không gian hơn cho khoang động cơ. Tuy nhiên, điều này lại dẫn đến việc không gian khoang lái bị thu hẹp, hoặc chiều dài tổng thể của xe sẽ phải tăng lên, hoặc tệ hơn nữa là buộc phải vận dụng đến động cơ 4 xy-lanh và chấp nhận hiệu năng không còn được như ý.
Để khắc phục vấn đề này, các kỹ sư đã đưa ra giải pháp chia đôi khối động cơ I6 và đặt các xy-lanh theo hình chữ V. Góc nghiêng giữa hai dãy xy-lanh nằm trong khoảng từ 15 – 120 độ, phổ biến nhất là 60 độ và 90 độ. Điều này giúp giảm đáng kể chiều dài của động cơ, trong khi chiều ngang lại không tăng lên quá nhiều.
Vì thế, động cơ V6 đem đến sự tối ưu hóa về phân bổ khối lượng của xe (được đặt gần trọng tâm xe hơn). Trong khi đó, động cơ I6 lại làm cho phân bổ khối lượng dồn về đầu xe, nên buộc phía nhà sản xuất phải thực hiện các biện pháp bù trừ để từ giữa đến cuối xe nếu không muốn bị mất cân bằng độ bám giữa các bánh.
Chính nhờ kích thước gọn gàng nên động cơ V6 có được lợi thế rất lớn so với động cơ I6. Từ khi được sản xuất lần đầu vào năm 1950 cho đến nay, động cơ V6 đã trở thành kết cấu phổ biến nhất cho động cơ xe hơi với 6 xy-lanh. Tuy nhiên, sự cân bằng của động cơ lại là một nhược điểm. Hai dãy xy-lanh trên động cơ V6 phải đặt lệch góc 120 độ để đạt được sự cân bằng tốt nhất, nhưng điều này lại làm tăng kích thước động cơ. Do đó các nhà thiết kế phải điều chỉnh góc chữ V xuống 90 độ hoặc 60 độ. Và đây là lúc các vấn đề cân bằng bắt đầu xảy ra.
Về lý thuyết, động cơ V6 không có sự cân bằng cơ học chính xác. Do các xy-lanh được đặt theo hình chữ V nên tổng mô-men do lực quán tính sinh ra luôn là một hằng số, khiến cho động cơ rung lắc khi hoạt động. Để hạn chế sự mất cân bằng này, các nhà thiết kế phải sử dụng một số phương pháp cân bằng như lắp đối trọng trên trục khuỷu hoặc dùng trục cân bằng.
Ngoài ra, vì thiết kế theo kiểu chữ V nên động cơ V6 cần có thêm một trục cam, một nắp máy và một ống dẫn nhiên liệu. Đồng thời, ống xả cũng bị chia đôi cùng nhiều bộ phận khác. Điều này làm cho cấu tạo của động cơ V6 thêm phần phức tạp. Do đó, việc tính toán cân bằng động cơ lại càng trở nên khó khăn hơn.
Trái ngược hoàn toàn, động cơ I6 lại có được sự cân bằng cơ học chính xác và được xem là kiểu động cơ có sự cân bằng tốt nhất (cùng với V12 và 6 xy lanh phẳng/boxer). Do đó trên các mẫu xe thể thao, động cơ I6 vẫn là sự lựa chọn ưu tiên để có được sự cân bằng động cơ tốt nhất.
Đối với những người đam mê xe hơi, âm thanh động cơ là một thuộc tính quan trọng, mang đến cảm xúc cho người lái. Ở khía cạnh này, động cơ I6 không quá “ồn ào” nhờ sự cân bằng tuyệt đối, phù hợp với các mẫu xe cần hiệu năng nhưng vẫn phải duy trì trải nghiệm thanh lịch, nên được các hãng như Nissan, Toyota và đặc biệt là BMW tin dùng. Trong khi đó, động cơ V6 mang đến âm thanh ồn ào hơn, mạnh mẽ hơn, phù hợp với các mẫu xe thể thao thuần khiết.
Tổng kết
Nếu bạn đang cần một chiếc xe đô thị giá rẻ thì động cơ 4 xy-lanh sẽ tốt hơn động cơ 6 xy-lanh. Tuy nhiên, nếu bạn đang tìm kiếm một chiếc xe thể thao hoặc sang trọng thì động cơ 6 xy-lanh có thể sẽ phù hợp hơn với nhu cầu của bạn.
Nhìn chung, nếu bạn muốn có một động cơ với hiệu năng cao, âm thanh hay, phản hồi chính xác và cảm giác tăng tốc mượt mà thì động cơ I6 sẽ là sự lựa chọn tốt hơn V6. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều yếu tố khác có thể đem ra so sánh giữa hai kiểu động cơ này, trong đó V6 có thể cho thấy sự ưu việt hơn. Tùy thuộc vào sở thích cá nhân và mục đích sử dụng mà mỗi người sẽ có những sự lựa chọn khác nhau.
Tổng hợp
Le Hai.