Động cơ 101: P1 – Các đặc tính cơ bản

Công suất và momen xoắn - có lẽ các bạn yêu xe không còn xa lạ gì với hai thuật ngữ này. Hiện nay, với bất cứ mẫu xe mới nào được tung ra thị trường, hai đặc tính này gần như mặc định được nhà sản xuất công bố. Như một thước đo về sức mạnh của động cơ, dựa vào đây khách hàng có thể có được một phép so sánh nhanh giữa hai mẫu xe khác nhau.

Đương nhiên, đánh giá động cơ không chỉ dừng lại ở công suất cực đại và momen xoắn cực đại. Chuỗi bài Động cơ 101 được ra đời nhằm khai thác sâu hơn vẻ đẹp của động cơ xe cơ giới, mà chủ yếu là động cơ đốt trong bốn thì - loại động cơ phổ biến nhất hiện nay. Để bắt đầu hành trình của Động cơ 101 một cách gần gũi nhất, trong bài viết này Otoman sẽ nhắc lại hai khái niệm công suất và momen xoắn, từ đó mở rộng ra các đường đặc tính cơ bản của động cơ.

1. Công suất (đơn vị hp - horsepower - mã lực)

Mã lực đại diện cho sức mạnh mà một động cơ sản sinh. Mã lực được tính bằng công cần thiết để nâng một khối lượng 75 kg lên cao 1 mét trong thời gian 1 giây, tức 1 hp = 75 kgm/s. Như vậy, mã lực là thước đo cho tốc độ sinh công. Các bạn có thể hình dung một động cơ có công suất nhiều mã lực hơn thì thường sẽ duy trì được tốc độ cao hơn khi di chuyển.

Điều này có ý nghĩa gì với những con số do hãng cung cấp? Trước hết ta cần nhớ rằng sức mạnh được công bố của một chiếc xe là công suất cực đại của nó. Nếu chiếc Corolla SE 2020 sản sinh 169 hp là một con ngựa thì nó chỉ mất 1 giây để có thể nhấc bổng được một vật nặng khoảng 12.7 tấn lên không trung từ mặt đất 1 mét. Tuy nhiên, công suất cực đại này chỉ có được khi xe đã di chuyển tới một thời điểm nhất định (ở đó động cơ đạt một tốc độ nhất định). Do đó, có thể tóm gọn rằng, trong khi đang lăn bánh, một động cơ có công suất lớn hơn thì thường sẽ tăng tốc nhanh hơn.

2. Momen xoắn (đơn vị Nm - Newton-meter - Newton mét)

Momen xoắn đại diện cho lực quay của động cơ. Momen xoắn hiện hữu ở khắp nơi xung quanh ta: vặn tay nắm cửa, mở nút chai, dùng cờ-lê, đạp pedal xe đạp. Một ví dụ đơn giản là khi ta dùng cơ-lê để siết ốc. Tác dụng một lực vào một đầu của cờ-lê và lực này được truyền tới con ốc làm cho nó bị vặn xoắn. Khi đó, không chỉ lực mà cả vị trí cầm cờ-lê đều góp phần quyết định chất lượng của khớp vặn. Kết hợp cả hai yếu tố này ta có momen, mà ở đây là momen xoắn.

Động cơ trên xe cơ giới thường cho ra khoảng 130 - 550 Nm momen xoắn. Momen trên xe ô tô được sinh ra do các piston di chuyển lên xuống trong xy-lanh và liên tục làm quay (hay vặn xoắn) trục khuỷu. Thông qua hệ truyền động, lượng momen này tiếp tục được truyền tới các bánh xe, và một chiếc xe có momen xoắn lớn hơn thì sẽ phù hợp hơn cho các công việc nặng như leo dốc, tải hàng, hay kéo theo xe khác. Vậy momen xoắn cực đại thể hiện sức mạnh lớn nhất của xe tại một thời điểm cụ thể khi xe phải làm công việc nặng nhất.

Để phân biệt công suất và momen xoắn, Toyota đưa ra ví dụ về chiếc máy nghe nhạc. Khi chọn mua một chiếc máy nghe nhạc, ta thường bật một bài nhạc để nghe thử trước khi đưa ra quyết định. Công suất của một chiếc xe cũng tương tự như âm lượng dàn trải của cả bài nhạc mà chúng ta nghe thấy từ chiếc máy. Máy nào có âm lượng chung lớn hơn thì thường có công suất cao hơn. Ngược lại, momen xoắn lại giống như những tiếng bass phát ra tại những nốt có âm lượng cao nhất.

Có bạn thích nhạc pop thì chọn loa có âm lượng chung lớn mà không cần bass mạnh, trong khi có bạn lại thích dòng rock thì lại ưu tiên loa có tiếng bass nghe phải "đã". Tương tự như vậy, xe thiên về công suất thì thường được tối ưu cho việc sử dụng thường xuyên, còn xe tập trung vào momen xoắn thì thường là loại đặc dụng, lâu lâu mới phải xử lý một vài tình huống địa hình khó nhằn.

Một ví dụ khác để phân biệt hai khái niệm trên nằm ở quá trình hoạt động của xe. Do khối lượng của một chiếc xe ô tô khá lớn, việc bắt đầu lăn bánh cũng có thể coi là một việc nặng nhọc cho động cơ và hệ truyền động. Do đó, khi khởi động động cơ và bắt đầu lăn bánh, momen xoắn cao sẽ giúp xe vượt qua sức ì nhanh hơn. Sau đó khi xe đã di chuyển, công suất cao sẽ giúp chiếc xe tăng tốc từ vận tốc hiện thời nhanh hơn.

3. Suất tiêu hao nhiên liệu (đơn vị g/KW.h)

Song song với công suất cực đại và momen xoắn cực đại, thường nhà sản xuất cũng công bố chỉ số nhiên liệu tiêu thụ trên 100 km vận hành. Mặc dù đây là một phép đo đơn giản và dễ hình dung cho người dùng, thực tế trong kỹ thuật đặc tính của động cơ lại được đo bằng chỉ số suất tiêu hao nhiên liệu (brake-specific fuel consumption, BSFC).

BSFC được đo bằng tỷ số giữa tốc độ tiêu thụ nhiên liệu (đơn vị g/s) và công suất sản sinh (đơn vị W), và thường được quy đổi sang đơn vị g/(kW.h). Tại một vòng tua máy và tải nhất định và với cùng loại nhiên liệu, động cơ có giá trị BSFC cao hơn sẽ tiêu tốn nhiều nhiên liệu hơn và do đó có hiệu năng (thermodynamic efficiency) thấp hơn. Khi so sánh hai động cơ chạy hai loại nhiên liệu khác nhau, ta cần xem xét thêm mật độ năng lượng (energy density) của các nhiên liệu này. Ví dụ, mật độ năng lượng của xăng thường và dầu lần lượt là 0.0122225 và 0.0119531. Một hãng xe tự nhận động cơ của mình tối ưu hơn so với của đối thủ thì thường là họ đang nói tới giá trị hiệu năng (đơn vị %) cao hơn.

4. Đường đặc tính động cơ

Đặc tính của một động cơ bao gồm những thông số như công suất, momen xoắn và suất tiêu hao nhiên liệu, đo được từ băng thử (dynamometer) với những tốc độ quay khác nhau và tại các vị trí chân ga (hay tỷ lệ mở van tiết lưu) khác nhau. Khi điền vào một biểu đồ những trị số đo được theo tốc độ quay, những đường biểu diễn hình thành là những đường đặc tính của động cơ.

Với mỗi vị trí chân ga, ta có một bộ 3 đường đặc tính, nhưng để cho đơn giản thì thường nhà sản xuất chỉ công bố biểu đồ 3 đường đặc tính tại vị trí chân ga được đạp hết mức (van tiết lưu mở 100%). Khi đó, ta nhận biết được các giá trị công suất cực đại, momen xoắn cực đại, và tiêu hao nhiên liệu cực tiểu.

Theo lý thuyết, ở một vị trí không đổi của van tiết lưu trong suốt phạm vi tốc độ quay, mức tiêu hao nhiên liệu và momen xoắn cũng phải cố định, vì một lượng năng lượng cố định của thể tích hòa khí nạp vào xy lanh phải luôn cung ứng một momen xoắn cố định lên trục khuỷu. Tương tự, công suất phải tăng đều với tốc độ quay. Sau khi đạt được công suất tối đa, đường biểu diễn công suất lại đi xuống do thất thoát momen xoắn.

Nhưng mà đời không như mơ, biểu đồ đặc tính ở trên chỉ là lý thuyết được kiểm tra ở các điều kiện trong nhà máy. Nếu bạn đặt một động cơ lên băng thử, đo các trị số và tự xây dựng một biểu đồ thì thường sẽ có sai lệch về vị trí các điểm đánh dấu. Nguyên nhân có thể do:

• Thể tích hòa khí nạp vào không đồng đều khi vòng tua máy quá thấp hoặc quá cao
• Hòa khí cuộn xoáy không tốt dẫn nên bị đốt không hoàn toàn
• Năng lượng của hòa khí cháy bị hao hụt do thất thoát nhiệt lượng
• Năng lượng của piston bị hao hụt do thất thoát ma sát

Trên đây là giới thiệu cơ bản về các đường đặc tính của một động cơ bốn thì. Trong phần tới ta sẽ tìm hiểu sâu hơn về mỗi một đại lượng trong bộ ba này. Mời các bạn cùng đón đọc trên Otoman.