Động cơ 101: P8 – Nguyên tắc độ AFR

Khi tìm hiểu về tỷ lệ hòa khí tối ưu (AFR, một số bạn gọi là tỷ lệ xăng gió), ta biết rằng 14.7 : 1 được xem là tỷ số tối ưu nhất, khi xăng và không khí được trộn và phản ứng cháy hoàn toàn. Tuy nhiên, ta cũng biết rằng, tùy theo mức tải mà AFR có thể lên tới 10.2 : 1 tại WOT, hoặc xuống 16.4 : 1 khi IDLE. Ứng với mỗi giá trị AFR, sức mạnh mà động cơ sản sinh cũng sẽ khác nhau. Biểu đồ dưới đây thể hiện điều này.

1. Mặt trái của AFR

Nói về độ hiệu năng xe, AFR là gốc rễ của công suất. Bạn đặt (map) một giá trị AFR phù hợp trong ECU sẽ tận dụng hết công năng của động cơ, và tạo ra thêm khoảng 10 hp nữa là chuyện bình thường. Ngược lại, AFR sai có thể làm cỗ máy của bạn ra đi vĩnh viễn. Cụ thể:

Với hòa khí quá giàu (quá dư xăng):

• Xăng dư thâm nhập vào cổ xả, tạo ra khói đen ở ống xả;
• Xăng dư tràn qua vòng piston và lẫn vào dầu bôi trơn, giảm tác dụng của dầu;
• Xăng dư cản trở tốc độ lan truyền của sự cháy và làm giảm công suất. Do đó, khi đạp chân ga, xe sẽ có độ trễ;
• Đầu bugi bị hóa đen;
• Do công suất bị giảm, mức tiêu thụ nhiên liệu tăng lên.

Với hòa khí quá nghèo (quá dư không khí):

• Áp suất và nhiệt độ buồng cháy bị đẩy lên quá cao gây rủi ro kích nổ;
• Không đủ nhiên liệu để tạo ra năng lượng, động cơ bị giảm công suất;
• Tải cao đột biến làm cháy, vỡ piston;
• Đầu bugi bị hóa trắng.

2. Điều chỉnh AFR trên Porsche Carrera RS

Lý thuyết về AFR thì vô vàn, mời bạn đọc tiếp một ví dụ thực tế bên dưới mà Otoman sưu tầm được. Thông qua buổi phỏng vấn với trang Master Engine Tuner (MET), Kevin Wheeler chia sẻ về cách mà KMW Motorsports điều chỉnh tỷ lệ hòa khí trên những chiếc xe của mình. KMW Motorsports là một gara chuyên độ và đua xe Porsche tại Florida, Mỹ, và Kevin là tay đua chính của đội này. Mặc dù chiếc Carrera RS của Kevin sử dụng chế hòa khí, cơ bản thì nguyên tắc độ xe cũng giống như những chiếc phun xăng điện tử (EFI).

AFR phụ thuộc vào mục đích độ xe. Một vài động cơ chuyên để đua drag có thể để AFR nghèo hơn một chút thì sẽ đạt công suất tốt hơn. Tuy nhiên, với một động cơ như chiếc Carrera RS mà đội dùng để đua độ bền (tải cao liên tục trong thời gian dài) thì không thể – bạn phải tăng xăng nhiều lên. Thậm chí, vì đây là một chiếc xe cổ, khối động cơ của Carrera RS được làm mát bằng gió (air-cooled, chứ không hiệu quả bằng nước – water-cooled – như nhiều động cơ hiện đại ngày nay), nên cần phải tăng rất nhiều xăng để giảm nhiệt cho máy.

Tại WOT, Kevin phải chạy 11.5 : 1 AFR để kiểm soát được nhiệt độ. Tất nhiên, làm giàu hơn một chút có thể tạo thêm một ít công suất cho máy, tuy nhiên vài chục hp sẽ không có ý nghĩa gì nếu máy vượt giới hạn và không trụ nổi cho đến khi hoàn thành chặng đua. Với các động cơ phun xăng điện tử và làm mát bằng nước, bạn có thể tăng AFR lên khoảng 12.0 đến 13.0 : 1, còn chính xác là bao nhiêu thì phải tùy thuộc vào loại xăng bạn dùng.

AFR phụ thuộc vào loại xăng sử dụng. Nếu xe bạn chỉ đua vào mỗi cuối tuần, bạn có thể dùng xăng RON93 và đẩy AFR lên khoảng từ 12.8 đến 12.9 : 1. Ngược lại, nếu là một tay đua thực thụ và cần dùng đến xăng chuyên dụng cho xe đua (race fuel), bạn có thể sẽ phải tăng AFR lên khoảng 13.1 : 1. Xăng xe đua thì có mật độ năng lượng cao hơn và khả năng làm mát cũng tốt hơn, nên hoàn toàn có thể tăng khối lượng không khí (nhiệt cao hơn đã được xăng làm dịu). Một số hãng xe hiệu năng cao còn cung cấp luôn cho bạn thông số AFR tối ưu và AFR tại WOT mà hãng khuyến cáo sử dụng với xăng đua.

AFR phụ thuộc vào hệ thống nhiên liệu. Đương nhiên với một chiếc Carrera RS chạy chế hòa khí, lượng nhiên liệu phun vào buồng đốt chắc chắn không thể được kiểm soát hoàn toàn chính xác như đối với hệ thống phun xăng điện tử. Lý do là bởi vì hệ thống chế hòa khí có ít mạch điều chỉnh điện hơn rất nhiều, nên ta khó có thể can thiệp vào phần điện. Vì thế, nếu độ những chiếc xe đời cũ như thế này, ta cần phải hy sinh một chút công suất để đổi lấy an toàn cho động cơ.

Ta có thể làm điều này bằng cách tăng giá trị AFR lên tại vùng WOT. Ví dụ, động cơ của chiếc Carrera RS tại KMW Motorsports hoàn toàn có thể chịu được mức 12.0 : 1 AFR tại đỉnh công suất. Tuy nhiên, Kevin không muốn liều lĩnh để máy chịu nhiệt cao (vì có thể chế hòa khí nạp xăng không chuẩn), nên đã giảm xuống 11.5 : 1. Chỉ một nửa điểm AFR cũng đã có thể tạo nên sự khác biệt.

Trong ví dụ trên đây, ta thấy AFR được điều chỉnh ở các giá trị rất thấp, không như lý thuyết ta đã nói trong phần trước. Đó là bởi vì Otoman chỉ lấy ví dụ về một khối động cơ nạp khí tự nhiên điển hình, trong khi cỗ máy bên trong Carrera RS là khối động cơ sinh ra cho xe đua và có độ cứng vững hoàn toàn khác biệt. Động cơ của xe “zin” thì nhạy cảm hơn, nên nếu độ AFR bạn phải rất cẩn thận.

3. Tóm lại…

Tóm lại, lý thuyết về AFR thì có vẻ đơn giản, nhưng đi vào thực tế và map lại trên một khối động cơ bất kỳ sẽ đòi hỏi nhiều tính toán phức tạp hơn. Tuy nhiên, từ những kinh nghiệm của hãng độ KMW Motorsports, ta rút ra được một số gạch đầu dòng quan trọng sau về AFR:

• Bơm thêm nhiên liệu tại WOT (nếu cần) để giảm nhiệt cho động cơ dưới tải cao;
• Xe càng nặng thì nên có xu hướng làm giàu hòa khí để động cơ được bền bỉ;
• Đối với động cơ chịu áp lực lớn (làm mát bằng gió, hoặc nạp khí cưỡng bức bằng tăng áp hay siêu nạp), khoảng AFR chuẩn tại WOT rơi vào từ 11.5 đến 11.8 : 1;
• Tại WOT, luôn dựa vào giá trị tối ưu do hãng đề xuất, sau đó điều chỉnh tăng/giảm AFR theo mục đích của mình. Với động cơ hút khí tự nhiên, làm mát bằng nước, không được đặt AFR cao hơn mức giảm 11% từ tỷ lệ tối ưu; với động cơ nạp khí cưỡng bức, làm mát bằng gió, không đặt cao mức giảm 22%. Ví dụ, nếu tỷ lệ tối ưu của động cơ của bạn là 14.7, thì bạn không được đặt AFR tại WOT cao hơn giá trị 13.1 : 1, và không được cao hơn 11.47 : 1 (nếu là máy tăng áp/siêu nạp);
• Thông thường, khi động cơ đã đạt gần giới hạn; điều chỉnh giảm AFR khoảng 0.5 điểm sẽ chỉ làm giảm một ít công suất, nhưng máy lại trụ được lâu hơn rất nhiều.

Trong tinh chỉnh động cơ, nhiều xe hỗ trợ OBD mapping (map lại đặc tính động cơ thông qua cổng OBD) chỉ mất khoảng 5 – 10 phút để tăng được công suất lên từ vài đến vài chục mã lực. Hy vọng bài viết trên đây về AFR – gốc rễ của độ công suất có thể có ích cho một vài bạn đang cần độ nhanh con xe của mình.

Mời bạn lắng nghe âm thanh chiếc Porsche ở trên thông qua đoạn video bên dưới.

Hẹn gặp lại trong bài viết tới trong series Động cơ 101 trên Otoman.