5 điều bạn phải biết trước khi ‘đụng’ vào redline của động cơ

Được trang bị trên các mẫu xe F1, Mazda RX-8, Honda S2000..., động cơ tua cao (high revving) đã đánh gục trái tim của những người chơi xe bằng âm thanh của chúng. Vậy điều gì đã khiến redline của những động cơ này cao đến thế?

Để hiểu thêm về giới hạn vòng tua (redline), bạn đọc hãy cùng Otoman trả lời 5 câu hỏi sau:

• Lợi ích của động cơ tua cao là gì?
• Vai trò của tỷ lệ đường kính xi lanh : hành trình piston (bore : stroke) là như thế nào?
• Làm sao để động cơ nạp đủ không khí ở vòng tua cao?
• Những chi tiết chuyển động tịnh tiến ảnh hưởng thế nào đến redline?
• Liệu động cơ tua thấp có phải là động cơ tệ?

1. Lợi ích của động cơ tua cao

Công suất chính là lợi ích cốt lõi của động cơ với tua máy cao. Lý do là bởi vì chỉ số công suất được quyết định bởi momen và vòng tua máy. Khi bạn tăng tốc độ quay của động cơ hoặc momen xoắn, công suất thường sẽ tăng theo. Nếu bạn có một động cơ với dung tích 2.0L, bạn sẽ cần mức áp suất khí nạp cưỡng bức (boost) khá cao để tăng thêm công suất, tức là sử dụng thêm tăng áp hoặc siêu nạp.

Do đó, việc tăng redline của động cơ cũng thường đồng nghĩa với việc tăng công suất cực đại. Đồng thời, với redline cao, chúng ta cũng có thể thực hiện thay đổi một vài thông số của hộp số để duy trì sức kéo. Tất nhiên, ngoài việc tăng redline, chúng ta có thể tăng thể tích động cơ (từ đó tăng công suất). Tuy nhiên, cách này có thể làm giảm hiệu suất tổng thể của xe.

2. Vai trò của tỷ lệ đường kính xi lanh : hành trình piston (bore : stroke)

Cách tốt nhất để chúng ta tạo ra một động cơ tua cao là sử dụng thiết kế động cơ có hành trình ngắn (oversquare). Điều này có nghĩa là đường kính xi lanh lớn hơn hành trình piston. Thiết kế này có nhiều tác dụng, và một trong số đó là giúp giảm tốc độ di chuyển của piston. Tốc độ piston giảm đồng nghĩa với áp lực lên tay dên (connecting rod) và trục khuỷu cũng giảm theo. Đồng thời, nó cho phép tốc độ lan tỏa đám cháy (flame propagation speeds) tăng lên, từ đó tiếp tục đẩy cao tua máy hơn nữa.

Lấy một ví dụ đơn giản là bạn có hai động cơ 4.0L V8 với redline là 6,000 rpm. Động cơ thứ nhất có tỷ lệ bore : stroke là 0.5 (ví dụ 68.3 mm : 136.6 mm) và động cơ còn lại là 1.5 (ví dụ 98.5 mm : 65.6 mm). Khi đó theo tính toán, động cơ có hành trình dài (undersquare) có vận tốc piston trung bình là 27.32 m/s, trong khi con số này trên động cơ còn lại chỉ là 13.12 m/s.

Thường thì động cơ F1 có tỷ lệ bore : stroke khá cao, cho phép quay nhanh hơn và sản sinh công suất lớn hơn. Một tỷ lệ cao tới 2.5 không phải là chuyện hiếm của động cơ xe đua F1.

3. Nạp đủ không khí ở vòng tua cao

Một yếu tố khác quyết định redline của động cơ là việc động cơ nạp khí ra sao khi vòng tua lên cao. Đây là điểm mà hệ thống van phân phối khí (valvetrain) đóng vai trò then chốt. Động cơ với đường kính xi lanh lớn sẽ có thể sử dụng van lớn hơn, từ đó cải thiện luồng khí nạp (airflow) ở vòng tua cao.

Tuy nhiên, van lớn cũng sẽ nặng hơn và làm tăng rủi ro trượt xu páp (valve float). Đây là hiện tượng khi chuyển động của thân xu páp (vavle stem) không còn ăn khớp với trục cam vì đàn hồi của lò xo van (valve spring) không thể theo kịp. Đặc biệt, xi lanh với 2 van thường sẽ có kích thước mỗi van lớn hơn. Do đó khi vòng tua động cơ lên cao, hiện tượng trượt xu páp sẽ dễ xảy ra hơn.

Giải quyết vấn đề này hoàn toàn là khả thi. Bộ lò xo cứng hơn là giải pháp để ngăn trượt xu páp. Tuy nhiên, động cơ sẽ phải mất một phần công sản sinh để nén lò xo, do đó bị giảm hiệu suất. Ngoài cách này, việc sử dụng xu páp trọng lượng nhẹ cũng cho phép giảm bớt độ cứng lò xo. Do đó, phần lớn xe hiệu năng cao thường sử dụng vật liệu titanium để giảm trọng lượng xu páp.

Đối với xe F1, lò xo khí nén (pneumatic spring) được áp dụng thay cho loại cơ học. Khí nitơ nén giúp duy trì khả năng đóng mở van (valve profile).

4. Ảnh hưởng của những chi tiết tịnh tiến

Bí quyết để dòng động cơ piston quay (rotary) quay nhanh hơn nằm ở việc các chi tiết chuyển động quay vòng (rotational) thay vì tịnh tiến (reciprocating). Về lý thuyết, áp lực động cơ và rủi ro trượt xu páp sẽ tăng lên khi khối lượng tịnh tiến (reciprocating mass) tăng, ví dụ như xu páp và đũa đẩy (pushrod) liên tục thay đổi chuyển động trong động cơ sử dụng đũa đẩy.

5. Động cơ tua thấp có phải là tệ?

Không hề! Ví dụ, động cơ dầu không thể quay nhanh như động cơ xăng, nhưng sức mạnh thì có thể tương đương và hiệu suất thì còn cao hơn.

Động cơ dầu có tỷ số nén cao và hành trình piston dài, dẫn tới áp suất và nhiệt độ buồng đốt tăng cao. Về cơ bản, động cơ có hành trình dài có thể giúp cải thiện momen xoắn nhưng lại làm giảm đáng kể redline.