Cùng có bố cục 4 xy-lanh nhưng trong khi kiểu động cơ I4 với các xy-lanh thẳng hàng đang thống trị thị trường ô tô ngày nay do cấu tạo đơn giản và tiết kiệm chi phí sản xuất, thì kiểu động cơ V4 lại rất hiếm gặp trên ô tô mặc dù có nét thú vị và sự hấp dẫn riêng.
Hiện nay, động cơ 4 xy-lanh thẳng hàng (I4) là kiểu động cơ phổ biến nhất được tìm thấy trên ô tô kể từ khi chúng được sử dụng trên xe du lịch, bắt đầu với Ford Model T từ 1908-1941. Đây là một trong những cấu hình động cơ được sản xuất ra với số lượng nhiều nhất trong ngành công nghiệp xe 4 bánh và trong những năm gần đây, mức độ phổ biến của động cơ I4 vẫn không hề suy giảm dù cho có thêm sự xuất hiện của các dòng xe thuần điện cạnh tranh gay gắt.
Bên cạnh I4, kiểu động cơ 4 xy-lanh còn có một biến thể ít phổ biến hơn rất nhiều, đó là động cơ 4 máy xếp hình chữ V, hay còn gọi là động cơ V4. Không giống với trường hợp của các kiểu động cơ như V6, V8, V10 hay V12 vẫn còn xuất hiện khá nhiều, V4 ngày nay không còn tồn tại trên các mẫu xe 4 bánh được sản xuất hàng loạt. Lần cuối cùng động cơ V4 được trang bị cho ô tô thương mại là vào năm 1994 trên một mẫu xe Ukraine có tên ZAZ-968M. Sự mất hút của động cơ V4 thậm chí khiến nhiều người không hề biết rằng chúng đã từng có thời điểm tồn tại trên các dòng ô tô phổ thông.
Lý do chính khiến động cơ V4 không còn phổ biến trên ô tô thời nay là vì kiểu động cơ có các xy-lanh xếp thẳng hàng được sản xuất đơn giản hơn rất nhiều so với động cơ có cấu hình xy-lanh xếp theo chữ V. Việc sản xuất các loại động cơ với cấu trúc xy-lanh thẳng hàng như I4 hay I6 dễ dàng hơn hẳn so với việc sản xuất động cơ V4 khi các chi tiết được sắp xếp trên một dây chuyền duy nhất, giúp giảm độ phức tạp và chi phí vận hành.
Trong khi đó, bố cục chữ V phức tạp hơn đáng kể cả về khía cạnh thiết kế cũng như chế tạo, chẳng hạn đầu xy-lanh kép, ống xả và hệ thống van nạp xả đều rắc rối hơn động cơ xy-lanh thẳng hàng. Điều này khiến quy trình sản xuất động cơ V4 khá giống với quá trình chế tạo động cơ V6 hoặc V8, hao tốn chi phí và làm giảm biên độ lợi nhuận của nhà sản xuất.
Về cơ bản, việc tách một khối động cơ ra thành 2 phần sẽ đồng nghĩa với việc phải tạo ra các bộ phận cấu thành của từng nhánh, điều này làm tăng chi phí trong tất cả mọi công đoạn của quá trình nghiên cứu, phát triển và thương mại hóa. Đồng thời, kiểu động cơ V4 sẽ làm tăng thêm những yêu cầu về kỹ thuật khi so sánh với việc chế tạo động cơ I4, dẫn đến những rắc rối mà hầu hết mọi hãng xe phổ thông ngày nay đều xem là không còn quá cần thiết cho việc kinh doanh.
Một cách táo bạo để giải quyết vấn đề đầu xy-lanh là bố trí hình chữ V có góc hẹp, một chiến lược từng được Lancia và Volkswagen áp dụng. Mặc dù kiểu thiết kế này vẫn dẫn đến 2 ống xả nhưng chỉ có 2 trục cam, do đó việc đặt các bugi đánh lửa ở hai bên của đầu xy-lanh đơn sẽ giúp động cơ V4 trở nên khả thi hơn đáng kể so với các nguyên mẫu sơ khai. Tuy nhiên, sự lộn xộn và tốn kém không cần thiết để phát triển vẫn gây ra trở ngại trong suy nghĩ của các hãng sản xuất xe.
Các loại động cơ với cấu trúc xy-lanh xếp theo hình chữ V vốn dĩ nổi tiếng (hoặc tai tiếng, tùy theo góc nhìn) về việc chiếm dụng nhiều không gian trong khoang động cơ. So với việc loay hoay tìm cách thiết kế xe để nhét vừa một khối động cơ V4, các kỹ sư sẽ thấy chuyện đặt động cơ có xy-lanh thẳng hàng theo hướng nằm dọc thậm chí còn thoải mái và dễ xử lý hơn rất nhiều. Thế nên, không ít hãng chọn giải pháp thiết kế thân vỏ xe xoay quanh động cơ I4 nhỏ gọn “cho xong chuyện” để còn tiếp tục giải quyết những vấn đề khác cấp bách hơn, thay vì phải “nhức đầu” với động cơ V4.
Khi vận hành, những khối động cơ kiểu V4 còn gặp phải rắc rối liên quan đến độ rung động nhiều hơn mức cần thiết. Tay đua Neel Jani từng kể rằng, trong quá trình thử nghiệm chiếc Porsche 919, động cơ V4 với sức mạnh 500 mã lực đã rung nhiều đến mức khiến người điều khiển xe rơi vào trạng thái khó quan sát và thậm chí là khó thở khi vận hành xe tại những dải vận tốc lớn. Rõ ràng đây không phải là điều các hãng xe mong muốn khi trang bị động cơ cho những sản phẩm cần hiệu năng cao.
Đối với trường hợp này thì rốt cuộc Porsche cũng đã tìm ra giải pháp khi thay đổi thứ tự đánh lửa của các xy-lanh bên trong động cơ V4, nhưng cũng phải mất khá nhiều thời gian nghiên cứu. Dù vậy, V4 vẫn cho thấy không phải là loại động cơ cân bằng về bản chất nhất hiện có, thế nên các kiểu động cơ với xy-lanh xếp hình chữ V theo góc 90 độ mới là cách tốt nhất để đạt được độ cân bằng tổng thể và tránh việc phải sử dụng trục cân bằng để ngăn động cơ rung lắc.
Mặc dù lịch sử phát triển ngành ô tô khiến cho V4 chỉ toàn bộc lộ những nhược điểm làm hạn chế khả năng ứng dụng rộng rãi, nhưng nhìn nhận một cách khách quan thì bất kỳ cấu hình động cơ nào cũng có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Kiểu động cơ này vẫn có thể là lựa chọn thích hợp nhất nếu được sử dụng đúng với thế mạnh của nó.
Về lý thuyết, nếu giải quyết được vấn đề cân bằng động để giảm thiểu độ rung khi vận hành, lúc đó động cơ V4 sẽ có khả năng sản sinh ra nhiều mã lực hơn so với động cơ có xy-lanh thẳng hàng. Do thiết kế trục khuỷu ngắn hơn khiến nó khỏe hơn và ít bị xoắn hơn dưới tác dụng của mô-men xoắn, nghĩa là hãng xe có thể nới thêm giới hạn vòng tua máy và từ đó đạt được thông số công suất lớn hơn. Bên cạnh đó, hiệu suất chuyển đổi năng lượng của V4 cũng có tiềm năng hơn, vì bản thân nó có đường lưu thông gió nạp tối ưu hơn, giúp giảm thiểu sự thất thoát năng lượng trong lúc vận hành.
Hiện nay, động cơ V4 chỉ còn chủ yếu được sản xuất thương mại dành cho những chiếc mô tô công suất lớn, phần nào tạo nên một sức hấp dẫn nhất định cho kiểu động cơ này bởi vị thế độc đáo trong ngành xe cộ nói chung. Phần lớn động cơ V4 dành cho ô tô đã lỗi thời và rất hiếm gặp trên thị trường hiện nay nên thường không có sẵn phụ tùng thay thế. Quy trình chăm sóc, bảo dưỡng động cơ V4 của các dòng xe hơi cũ vì thế cũng yêu cầu chuyên môn cao hơn của nhân viên kỹ thuật so với các loại động cơ thông dụng, phổ biến hơn.
Dưới đây là 10 mẫu xe ô tô dùng động cơ V4 đáng chú ý trong lịch sử, thứ tự xếp theo thông số sức mạnh từ thấp đến cao.
ZAZ-965 1960
Còn được biết đến với tên gọi “Zaporozhets”, đây là dòng xe cỡ nhỏ được sản xuất tại Liên Xô trong thập niên 60 của thế kỷ 20. Được trang bị động cơ V4 dung tích 0.7L đi kèm với hộp số sàn 4 cấp và dẫn động cầu sau, chiếc xe này nổi tiếng vì vận hành bền bỉ và dễ sửa chữa, phù hợp với tình hình kinh tế lúc bấy giờ tại nơi nó ra đời. Động cơ xe có công suất 23 mã lực, mô-men xoắn cực đại 45 Nm, làm mát bằng sức gió.
SAAB 96 1960
Mặc dù hãng SAAB hiện nay đã không còn, nhưng di sản mà nhà sản xuất ô tô đến từ Thụy Điển để lại là rất đáng trân trọng. Thương hiệu này đã từng tạo ra chiếc xe SAAB 96 1960, được công nhận là sở hữu dáng vẻ thể thao bắt mắt và nội thất rộng rãi, nhiều tiện nghi so với tiêu chuẩn lúc bấy giờ, đồng thời làm nền tảng phát triển cho những dòng xe SAAB hiện đại hơn sau này. Xe vận hành bằng động cơ V4 dung tích 0.8L công suất 38 mã lực, mô-men xoắn 81 Nm đi với hộp số sàn 4 cấp và dẫn động cầu trước.
Lancia Lambda 1924
Cho đến tận bây giờ, những chiếc “xe cổ” Lancia Lambda vẫn xứng đáng được xem là chuẩn mực trong lịch sử ngành sản xuất ô tô với những tính năng đột phá và chất lượng chế tác tinh xảo, tất nhiên là khi xét ở thời điểm nó ra đời. Đây là mẫu ô tô đầu tiên có khung gầm liền khối chịu tải, nâng cao cả tính toàn vẹn của cấu trúc và động lực lái, đồng thời sở hữu thống treo trước độc lập cải thiện sự thoải mái khi lái và độ chính xác khi xử lý. Đó chính là những thành phần vẫn đang được sử dụng rộng rãi trên nhiều mẫu xe hiện đại thời nay. Động cơ Lancia Lambda rất đáng chú ý khi là loại V4 SOHC 2.1L công suất 49 mã lực, hộp số sàn 3 cấp và dẫn động cầu sau.
SAAB Sonett 1968
Thêm một mẫu xe nữa đến từ hãng SAAB thể hiện sự sáng tạo, bứt phá khỏi những quan niệm truyền thống đương thời. Thân xe bóng bẩy ứng dụng sợi thủy tinh, có hình khối được tối ưu khí động học, mũi nhọn thấp, cốp xe ngắn, đèn pha tròn và cửa dốc. Nó vận hành bằng động cơ V4 dung tích 1.5L có nguồn gốc từ Ford Taunus, công suất 68 mã lực, mô-men xoắn cực đại 115 Nm, hộp số sàn 4 cấp, dẫn động cầu trước, có thể tăng tốc 0-100 km/h trong 11,8 giây nhờ khối lượng nhẹ chỉ 770 kg.
Matra M530 1967
Chiếc xe này thuộc phân khúc xe thể thao cỡ nhỏ hiếm thấy trên thị trường hiện nay với mui xe gần như phẳng, mũi xe dài, dáng xe rất thấp, 2 ghế ngồi thấp bên trong và có cả vòm kính sau kiểu targa. Mặc dù thường bị so sánh với đối thủ Lotus Elan và không thực sự so bì được về hiệu năng, Matra M530 vẫn thể hiện được sự tươi mới và thú vị khi nhìn giống như một viên đạn vút đi mỗi khi tăng tốc. Động cơ xe là loại V4 dung tích 1.7L đặt giữa thân, công suất 70 mã lực, mô-men xoắn cực đại 131 Nm, hộp số sàn 4 cấp, dẫn động cầu sau.
SAAB 95 1971
Đây là chiếc xe đã thay đổi cách nhìn của các nhà sản xuất ô tô về phân khúc xe gia đình kiểu wagon vào đầu những năm 1970. Hệ dẫn động cầu trước được kết hợp với hệ thống kiểm soát lực kéo do SAAB tự phát triển đã mang lại hiệu quả an toàn tuyệt vời, không thua kém gì với cấu trúc dẫn động cầu sau phổ biến đương thời. Cùng với đó là diện mạo độc đáo, kính chắn gió bao quanh và cửa sổ phía sau dốc, không chỉ nâng cao tính khí động học mà còn mang lại tầm nhìn đặc biệt cho người lái. Xe trang bị động cơ V4 1.7L công suất 73 mã lực, mô-men xoắn cực đại 115 Nm, hộp số sàn 4 cấp.
Ford Capri MKI 1969
Được thiết kế để truyền tải phong cách xe cơ bắp Mỹ đến với thị trường châu Âu, Ford Capri MKI 1969 kết hợp kiểu dáng thể thao với hiệu năng vận hành khá ổn trong tầm phân khúc của nó. Nổi bật với kiểu dáng đẹp và mạnh mẽ, mui xe dài, cốp sau ngắn và hình khối đặc biệt, chiếc xe này xứng đáng được coi là vượt thời gian, thu hút sự chú ý ngay cả trong thời hiện đại ngày nay. Động cơ V4 của xe có dung tích 1.7L công suất 74 mã lực, mô-men xoắn cực đại 127 Nm, hộp số sàn 4 cấp, dẫn động cầu sau.
Ford Consul 1972
Còn được biết đến với tên gọi Granada MKI, mẫu xe này đánh dấu cột mốc phát triển mới trong lịch sử làm xe của Ford, khi kết hợp được sự sang trọng và hiệu năng tốt trong một thân hình nhỏ nhắn gọn gàng, nhiều tiện nghi với điều hòa, kính cửa sổ chỉnh điện, dàn âm thanh cao cấp… Ford Consul nhanh chóng trở thành biểu tượng của sự thành đạt trong những năm đầu thập niên 1970. Xe vận hành bằng động cơ V4 dung tích 2.0L có công suất 82 mã lực, hộp số sàn 3 cấp hoặc 4 cấp, dẫn động cầu sau.
Lancia Fulvia HF Rallye 1970
Là mẫu xe huyền thoại khi nói tới bộ môn đua xe thể thao rally, phiên bản HF của dòng xe Fulvia nhanh chóng để lại tiếng vang ngay từ khi mới xuất hiện và được đông đảo cộng đồng kính nể. Để làm được điều này, hãng Lancia đã trang bị cho xe động cơ V4 dung tích 1.6L nằm ngang có công suất 113 mã lực, mô-men xoắn cực đại 153 Nm, hộp số sàn 5 cấp, dẫn động cầu trước, tăng tốc 0-100 km/h trong 7,7 giây. Cùng với đó là sự kết hợp giữa các tấm thân nhôm và khung thép hình ống, góp phần tạo nên sự linh hoạt và khả năng phản hồi của xe trên đường đua. Hệ thống treo tiên tiến, có tay đòn kép ở phía trước và dầm xoắn phía sau, mang lại khả năng bám đường và ổn định trong mọi điều kiện, thậm chí so với các tiêu chuẩn đua xe hiện đại.
Porsche 919 Hybrid 2014
Porsche đã ứng dụng động cơ V4 trên chiếc xe đua LMP1 nổi tiếng của họ với tên gọi 919 Hybrid V4. Các kỹ sư của hãng Đức đã khéo léo kết hợp động cơ tăng áp V4 90 độ dung tích 2.0L mạnh 500 mã lực với hệ thống mô-tơ điện hỗ trỡ, tạo ra hệ truyền động hybrid có tổng công suất là 900 mã lực. Porsche đã sử dụng hệ thống này cho chiếc xe đua 919 Hybrid thi đấu tại hạng LMP1 trong giai đoạn 2015-2017.
Sau đó, Porsche đã nâng cấp động cơ V4 này bằng một phiên bản mới với hậu tố Evo. Vì phiên bản nâng cấp này không nhằm mục đích thi đấu nên Porsche đã phát huy hết tiềm năng của động cơ trên đường đua Nürburgring, phá vỡ kỷ lục đã tồn tại 35 năm khi đạt thành tích 5 phút 19,55 giây.
Đến nay, 919 Hybrid V4 Evo tạo ra công suất 720 mã lực từ động cơ xăng và 440 mã lực từ hệ thống hybrid, điều này mang lại cho nó tổng công suất là 1.160 mã lực, trở thành chiếc xe mạnh nhất trên thế giới có trang bị động cơ V4. Để so sánh, chiếc mô-tô 2 bánh với động cơ V4 mạnh nhất thế giới là Ducati Panigale V4 R chỉ có công suất 234 mã lực. Đáng tiếc là Porsche 919 không được thiết kế để chạy phố hợp pháp, chỉ có đúng 2 chiếc được hãng làm ra và không thể mua được theo cách thông thường.
Tổng hợp
Le Hai.