Động cơ 101: P2 – Momen xoắn

Trong phần trước, Otoman đã giới thiệu tới bạn các đặc điểm cơ bản của khái niệm momen xoắn. Đây là một khái niệm quan trọng và thậm chí còn là một yếu tố cấu thành nên công suất của động cơ. Trong bài này, ta sẽ tiếp tục đào sâu cơ chế sản sinh momen xoắn và cùng tìm hiểu đặc tính kỹ thuật được đo lường bằng biểu đồ của đại lượng này. Trước khi đọc tiếp nội dung bên dưới, bạn có thể tham khảo cơ bản các thành phần cấu tạo của một động cơ bốn thì đơn giản tại đây.

1. Cơ chế sản sinh momen xoắn

Như ta đã biết, trong một động cơ đốt trong, hòa khí sau khi cháy trong lồng xy-lanh sẽ tạo ra năng lượng. Năng lượng này được chuyển hóa thành cơ năng thông qua hệ thống piston - tay đòn và tác dụng một lực lên trục khuỷu, làm quay trục khuỷu. Hỗn hợp khí sau khi cháy giãn nở mạnh, làm tăng áp suất p trong buồng đốt. Chính áp suất tăng lên này là tác nhân gây ra một lực F lên diện tích bề mặt piston Ap.

Như vậy, trong một động cơ bốn thì, bốn xi lanh, thì tại một thời điểm chỉ có một piston sinh công và tạo ra momen xoắn lên trục khuỷu. Ba piston còn lại không tạo ra momen. Vậy có thể coi momen xoắn tại đầu ra của động cơ này đúng bằng momen xoắn do một piston gây ra. Biết được các đại lượng áp suất hỗn hợp khí cháy p, đường kính xi lanh B, bán kính trục khuỷu a, ta có thể tính được momen xoắn do piston tạo ra theo công thức đơn giản sau.

Trong đó, là momen xoắn,là diện tích mặt piston,là lực tạo ra do hòa khí cháy,là đường kính xi lanhlà bán kính trục khuỷulà áp suất hỗn hợp cháy

Ví dụ, một động cơ bốn thì, bốn xi lanh thẳng hàng có B = 85 mm, p = 120,000 Pa (Pascal), và a = 62 mm sẽ tạo ra khoảng 42 Nm momen xoắn. Đương nhiên, thông qua hệ truyền động, momen xoắn truyền tới bánh xe sẽ thay đổi theo tỷ lệ truyền của hộp số và các bộ phận trung gian khác, nhưng tạm thời ta sẽ dừng lại ở phạm vi động cơ trong khuôn khổ chuỗi bài Động cơ 101 này.

Nếu như B và a là hai giá trị cố định đối với mỗi động cơ, áp suất p lại thay đổi liên tục theo tình trạng sử dụng của người lái. Cụ thể, khi tăng hay giảm ga (thông qua hành động đạp hay nhả chân ga), người lái yêu cầu động cơ thay đổi độ mở bướm ga. Từ đó, lượng hòa khí (không khí và nhiên liệu) được đưa vào buồng đốt tăng hoặc giảm, kéo theo sự thay đổi của áp suất tạo ra sau khi hòa khí cháy. Điều này giải thích cho hiện tượng momen xoắn của một động cơ là khác nhau ứng với mỗi tải khác nhau mà Otoman đề cập trong phần 1.

Không những vậy, tại một vị trí chân ga cố định, khi vòng tua máy tăng lên thì các đặc điểm đốt cháy hòa khí (góc đánh lửa, thời gian đánh lửa, lượng nhiên liệu…) cũng thay đổi, dẫn tới việc áp suất p cũng thay đổi. Điều này giải thích cho hiện tượng momen xoắn là khác nhau khi tốc độ động cơ tăng giảm mà Otoman cũng đã đề cập trong phần 1.

Đến đây, hẳn có bạn sẽ thắc mắc: Liệu khi sản xuất động cơ, ta tăng mạnh đường kính xi lanh B và bán kính trục khuỷu a để tăng momen xoắn thì có nên không? Về lý thuyết thì phương án này nghe có vẻ hợp lý, nhưng trên thực tế thì Otoman xin trả lời bạn là "không" vì ba lý do sau. Thứ nhất, tăng giá trị hai đại lượng này đồng nghĩa với việc tăng kích thước động cơ - điều chắc chắn sẽ không mang lại lợi ích về mặt kinh tế cho cả nhà sản xuất và người sử dụng. Thứ hai, tăng kích thước các chi tiết đồng nghĩa với tăng thất thoát năng lượng do ma sát tại các diện tích tiếp xúc lớn hơn. Cuối cùng, bán kính trục khuỷu "phình" ra sẽ làm động cơ mất cân bằng khi hoạt động.

2. Biểu đồ đặc tính

Ok, vậy ta đã hình dung được cách mà momen xoắn được tạo ra ở động cơ. Câu hỏi tiếp theo được đặt ra là: Sau khi chế tạo xong một chiếc động cơ, làm thế nào để đánh giá khả năng sản sinh momen xoắn của nó? Làm thế nào để so sánh đặc tính momen xoắn của hai động cơ với nhau? Câu trả lời chính là biểu đồ đặc tính momen xoắn của động cơ (engine torque map).

Thường thì nói đến xe hơi, 9/10 người sẽ chỉ nói về công suất và số mã lực mà nó có thể tạo ra. Đương nhiên công suất là quan trọng, nhưng thực tế thì momen xoắn thậm chí còn quan trọng hơn, đặc biệt là trong các thể thức đua xe thể thao. Việc am hiểu, vận dụng, điều chỉnh (tune) biểu đồ momen xoắn và kết hợp nó với các dạng biểu đồ khác là kỹ năng cơ bản phải có của một đội đua, dù ở bất kỳ thể thức nào.

Vậy torque map được tạo ra như thế nào? Để đánh giá đặc tính momen xoắn, một động cơ hoàn chỉnh được lắp đặt lên máy đo lực (dynamometer hay dyno, phổ biến nhất là loại chạy điện), đồng thời được lắp thêm các cảm biến đo vòng tua máy và độ mở bướm ga. Dyno hoạt động như một thiết bị phanh, có tác dụng hấp thụ năng lượng tạo ra bởi động cơ và cho ra các chỉ số đo được.

Sau khi hoàn thành một bài test động cơ, dyno trả kết quả là biểu đồ đặc tính momen xoắn của động cơ đó (dưới dạng lưới). Biểu đồ này cho ta biết giá trị momen xoắn mà động cơ sản sinh tại một vòng tua máy và tải (tương ứng với vị trí chân ga) cụ thể. Vậy ta tạm kết luận: Biểu đồ đặc tính momen xoắn của động cơ là một biểu đồ ba chiều, trong đó tốc độ động cơ và vị trí bướm ga là đại lượng đầu vào, qua tính toán cho ra giá trị momen xoắn là đại lượng đầu ra.

3. Đơn giản hóa biểu đồ đặc tính momen xoắn

Thoạt đầu nhìn vào torque map, hẳn vài bạn không quen sẽ dễ bị hoa mắt. Chính vì thế, ta sẽ đơn giản hóa biểu đồ lưới 3D này thành một biểu đồ đơn giản hơn ở dạng 2D. Trước hết, cùng xem kết quả momen xoắn mà dyno đo được cho một động cơ được ví dụ trong bảng sau.

Trong bảng trên, đại lượng đầu vào vòng tua máy được đặt làm cột tham chiếu với giá trị 0 - 6,500 rpm và đại lượng đầu vào vị trí chân ga được đặt làm hàng tham chiếu với giá trị 5 - 100 %. Ứng với mỗi cặp giá trị tham chiếu, dyno trả kết quả là đại lượng đầu ra momen xoắn với giá trị 0 - 190 Nm. Khi đưa các giá trị momen xoắn này lên biểu đồ 2D tương ứng với các điểm, ta được biểu đồ điểm bên dưới.

Nối các điểm với cùng giá trị vị trí chân ga, ta được biểu đồ đường như sau. Đường màu hồng chính là đường đặc tính momen ngoài mà nhà sản xuất thường công bố. Tại đây, chân ga được đạp hết mức, bướm ga được mở hoàn toàn (hay còn gọi là vị trí tải toàn phần). Ta dễ dàng thấy rằng mẫu động cơ trong ví dụ này sản sinh momen xoắn cực đại 190 Nm tại vòng tua 4,800 rpm. Một biểu đồ với các đường đặc tính momen xoắn dốc hơn ở vòng tua thấp sẽ cho khả năng tăng tốc từ trạng thái nghỉ tốt hơn. Không những vậy, động cơ có đường đặc tính trải rộng hơn ở vùng momen xoắn cao sẽ cho khả năng duy trì sức kéo được lâu hơn (hay có thể nói là khỏe hơn).

Mặc dù không được nhà sản xuất công bố, các đường biểu diễn khác trong đồ thị trên thực ra lại đóng vai trò quan trọng hơn. Do người lái thường chỉ đạp chân ga tới một vị trí vừa đủ khi di chuyển hàng ngày trong đô thị, các đường này thể hiện các mức tải thông dụng với người dùng. Vậy nếu là một người tiêu dùng thông thái, Otoman khuyên bạn nên chú ý vào các đường đặc tính momen xoắn màu đỏ tới vàng, và chỉ xem đường đặc tính ngoài như một dữ liệu tham khảo. Còn nếu bạn là một "racingboy" thì cần chú ý tới tất cả các đường trên.

Trên đây là bài phân tích chi tiết về momen xoắn của động cơ - một trong những đặc tính cơ bản nhưng cực kỳ quan trọng. Để tiếp tục có được hình dung rõ hơn về biểu đồ đường đặc tính momen xoắn, trong thời gian tới Otoman sẽ giới thiệu tới bạn một số ứng dụng thực tiễn của đại lượng này trên cả xe hơi thương mại và xe đua. Mời bạn đón đọc phần 3 của series Động cơ 101.