Động cơ 101: P3 – Công suất

Kết thúc phần trước, chúng ta đã tìm hiểu sâu hơn về đặc tính momen xoắn của động cơ. Trong bài viết này, Otoman xin giới thiệu tới bạn đại lượng quan trọng thứ hai - đó chính là công suất.

1. Công thức tính công suất

Trong phần 1, ta biết rằng công suất đại diện cho tốc độ sinh công của động cơ. Khi đang lăn bánh, một chiếc xe có công suất cao hơn thường tăng tốc nhanh hơn. Ta cũng biết rằng, momen xoắn là một yếu tố cấu thành nên công suất. Mối quan hệ này được thể hiện thông qua công thức sau đây. Lưu ý rằng phép tính này chỉ là lý thuyết, vì trên thực tế, công suất đo được trên dàn dyno sẽ nhỏ hơn do thất thoát năng lượng qua các chi tiết máy (thất thoát momen xoắn).

Trong đó, là công suất,là momen xoắn,là tốc độ góc.

Mặt khác, ta có các phép quy đổi đơn vị sau:

Vậy (1) có thể được viết lại như sau:

Trong đó, là tốc độ động cơ.

Ví dụ, tại vòng tua máy 3,200 rpm, một động cơ sản sinh 170 Nm momen xoắn thì theo lý thuyết nó cũng sẽ tạo ra một công suất khoảng 77.4 hp.

2. Biểu đồ đặc tính

Tương tự như momen xoắn, động cơ sau khi được kiểm tra trên dàn băng thử cũng sẽ cho ra kết quả biểu đồ đặc tính công suất (dưới dạng lưới). Ta hãy cùng quay lại với mẫu động cơ trong ví dụ ở phần trước và tính toán các giá trị công suất mà nó sản sinh. Áp dụng (2) tại mỗi giá trị vòng tua máy và momen xoắn, ta có bảng kết quả sau:

Biểu đồ dạng dưới cho công suất (power map) cho động cơ này có hình thù như bên dưới. Biểu đồ này cho ta biết giá trị công suất mà động cơ sản sinh tại một vòng tua máy và tải cụ thể. Như vậy ta cũng có thể tạm kết luận: Biểu đồ đặc tính công suất 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 công suất là đại lượng đầu ra.

Ta tiếp tục đơn giản hóa biểu đồ lưới bằng biểu đồ 2 chiều.

Và nối các điểm tại cùng vị trí chân ga, ta được biểu đồ đường.

Mẫu động cơ trong ví dụ sản sinh công suất cực đại khoảng 153 hp tại vòng tua 6,300 rpm. Các đường biểu diễn trên biểu đồ càng dốc thì khả năng tăng tốc của xe càng nhanh, xe sớm đạt tốc độ tối đa. Chú ý rằng, nếu kéo dài trục hoành, ta nhận thấy công suất tăng đến mức cực đại và giảm mạnh ngay sau đó. Xảy ra điều này là vì tại thời điểm đó, mức tăng tốc độ động cơ không thể bù lại được mức giảm momen xoắn do thất thoát, theo công thức (1).

Khi phân tích công suất của động cơ, ngoài công suất cực đại và độ dốc của đường đặc tính, giới kỹ thuật cũng rất thường xuyên sử dụng hai đại lượng khác là công suất cực đại trên 1 lít dung tích động cơ, và công suất cực đại trên 1 kg khối lượng động cơ. Ta sẽ không đi sâu vào hai đại lượng này, tuy nhiên một giá trị cao là mục tiêu mà mọi hãng chế tạo động cơ hiệu năng cao đều nhắm đến.

Bạn nào yêu Merc chắc sẽ biết đến khối động cơ M133 - niềm tự hào một thời của hãng xe Đức. Ra đời từ năm 2013 trên chiếc A45 AMG, mẫu M133 từng ba lần đạt giải Động cơ Quốc tế của năm ở hạng mục "Động cơ mới tốt nhất" và "Động cơ 1.8 - 2.0 L". Động cơ có dung tích 2.0 L và sản sinh công suất cực đại 265 kW (360 hp), tương đương với khoảng 133 kW / 1 lít dung tích. Tên mã động cơ được AMG đặt chính là đại diện cho con số này.

3. Phân tích một biểu đồ đặc tính đơn giản của động cơ

Như vậy, tới đây ta đã nắm được hai đặc tính quan trọng nhất của động cơ: momen xoắn và công suất. Ta cũng biết làm thế nào để đánh giá được chính xác nhất về hiệu năng của một động cơ và so sánh nó với một động cơ khác. Vậy khi nhìn vào một biểu đồ đặc tính với vô vàn thông tin, ta nên phân tích như thế nào? Sau đây Otoman xin hướng dẫn một cách khá cơ bản.

Bước 1. Ta bắt đầu với biểu đồ đặc tính đơn giản gồm đường momen xoắn và công suất tại vị trí bướm ga mở hoàn toàn (full load - tải toàn phần). Đánh dấu trên biểu đồ vị trí các điểm quan trọng như hình dưới.

Trong đó, là tốc độ ổn định nhỏ nhất của động cơ, là tốc độ động cơ tại vị trí momen xoắn đạt cực đại, là tốc độ động cơ tại vị trí công suất đạt cực đại, là tốc độ ổn định lớn nhất của động cơ, là momen xoắn tại vị trí tốc độ động cơ nhỏ nhất, là momen xoắn cực đại, là momen xoắn tại vị trí tốc công suất cực đại, là momen xoắn tại vị trí tốc độ động cơ lớn nhất, là công suất tại vị trí tốc độ động cơ nhỏ nhất, là công suất cực đại, là công suất tại vị trí tốc momen xoắn cực đại, là công suất tại vị trí tốc độ động cơ lớn nhất.

Bước 2. Xác định vùng thấp (low end torque zone). Vùng thấp trên biểu đồ được xác định là vùng diện tích trải từ vị trí Nmin đến N(Tmax). Trong vùng này, momen xoắn cao đồng nghĩa với việc xe khởi chạy và tăng tốc nhanh hơn. Ngoài ra, nếu động cơ đang hoạt động trong vùng này mà gặp vật cản lớn trên đường, tốc độ động cơ sẽ giảm dần, kéo momen xoắn giảm theo và xe có thể chết máy.

Bước 3. Xác định vùng đàn hồi (power band). Vùng đàn hồi trên biểu đồ được xác định là vùng diện tích trải từ vị trí N(Tmax) đến N(Pmax). Đây là vùng mà động cơ hoạt động ở trạng thái tối ưu nhất và có khả năng tiết kiệm nhiên liệu (ta sẽ tìm hiểu trong phần sau). Tại đây, khi ta đưa động cơ đến vị trí N(Pmax) và sang số, tốc độ động cơ ngay lập tức được trả về vị trí N(Tmax) (ứng với mỗi cấp số) và luôn cho ta momen xoắn cực đại. Do đó, chuyển số trong vùng này đạt hiệu quả cao nhất, và vùng đàn hồi rộng hơn thì sẽ có lợi hơn cho hoạt động chuyển số.

Bước 4. Xác định vùng cao (high end torque zone). Vùng cao trên biểu đồ được xác định là vùng diện tích trải từ vị trí N(Pmax) đến N(max). Tại vùng này, ta thấy có hiện tượng giảm công suất do thất thoát momen xoắn. Do đó, một động cơ giữ được các giá trị công suất và momen xoắn cao trong vùng này sẽ có khả năng tăng tốc tốt hơn ở tốc độ cao, đồng thời cũng nhanh đạt tốc độ tối đa hơn. Trái lại, nếu đường đặc tính dốc hơn ở vùng này, động cơ bị thất thoát momen xoắn quá nhanh, dẫn đến tình trạng hoạt động không ổn định, có thể gây hư hỏng. Tuy nhiên cần chú ý rằng, một đường dốc như vậy cũng có lợi, vì khi giảm tua máy, động cơ quay về mức cực đại cũng rất nhanh.

Otoman sẽ tiếp tục phân tích những mẫu động cơ thực tế trong các bài viết bên lề chuỗi bài Động cơ 101. Trong phần tới, ta sẽ tìm hiểu về đặc tính kỹ thuật quan trọng cuối cùng: suất tiêu hao nhiên liệu. Mời bạn đón đọc trên Otoman.