Mã lực là gì? Tìm hiểu ảnh hưởng của mã lực đến khả năng tăng tốc

1. Mối liên hệ giữa mã lực và khả năng tăng tốc là gì?

Mã lực cung cấp cho chúng ta một khái niệm tương đối về khoảng thời gian một chiếc xe cần để tăng tốc từ 0-100 km/h hay chạy đua drag 400 m, tuy nhiên trên thực tế, khả năng tăng tốc của xe phụ thuộc vào một vài yếu tố khác nhau. Tỉ số truyền, thời gian sang số, momen, khối lượng xe, tính khí động học và độ bám của lốp đều có ảnh hưởng nhất định tới khả năng tăng tốc.

Chúng ta có thể so sánh nhanh giữa ba mẫu Audi là A3, S3 và RS3 sử dụng chung nền tảng khung gầm nhưng có mức công suất khác nhau. Cả ba đều có khối lượng khoảng 1,6 tấn, chênh lệch giữa phiên bản nặng và nhẹ nhất chỉ là 54 kg. Khi so sánh những mẫu xe “cân tài cân sức” hơn, mức chênh lệch này có thể ảnh hưởng đáng kể tới kết quả. Nhưng với sự khác biệt trong công suất của ba mẫu xe, chênh lệch này không thực sự có nhiều ý nghĩa.

Mẫu Audi A3 với sức mạnh 201 hp có khả năng tăng tốc 0-96 km/h trong 6.4 giây, và với mẫu S3 mạnh hơn 105 hp, khoảng thời gian này rút ngắn gần 2 giây. Audi trang bị cho RS3 cỗ máy I5 2.5L lớn hơn với 401 hp và có khả năng tăng tốc chỉ trong 3,6 giây – nhanh hơn 1 giây so với người anh em S3.

Vì sao mức chênh lệch giữa RS3 và S3 lại không quá ấn tượng như đối với S3 và A3? Khi xét đến khả năng tăng tốc, bộ lốp bám tốt hơn cùng công nghệ Launch Control giúp S3 tiết kiệm được rất nhiều thời gian ngay khi chuyển bánh.

RS3 không tạo ra quá nhiều sự khác biệt bởi sức mạnh của xe đã đạt tới giới hạn của nền tảng khung gầm này. Xe khó có thể tăng tốc nhanh hơn S3 mà không để xảy ra hiện tượng trượt bánh hay gây nứt vỡ trong hệ truyền động của xe. Đây là ví dụ thực tiễn minh họa cho những yếu tố khác ngoài mã lực có thể ảnh hưởng tới khả năng tăng tốc của xe.

Khi xét đến ba mẫu xe cỡ lớn nhà GM, chúng ta có thể tháy ảnh hưởng của khối lượng đối với khả năng tăng tốc lớn đến mức nào. Cả Cadillac Escalade ESV, Chevrolet Silverado 1500 Trail Boss và Silverado 1500 ZR2 đều được trang bị khối động cơ V8 6,2L với công suất 420 hp và momen xoắn 624 Nm.

Với khả năng tăng tốc từ 0-96 km/h chỉ trong 5.7 giây, mẫu Silverado 1500 LT Trail Boss nhanh nhất trong ba mẫu xe được xét. Khối lượng lớn hơn 363 kg khiến mẫu Escalade tăng tốc chậm nhất khi mất tới 6,2 giây, và mẫu Silverado 1500 ZR2 nằm ở giữa cả về khối lượng và thời gian tăng tốc.

Ở đây, chúng ta có thể thấy rằng ngoài công suất, một số yếu tố khác cũng có ảnh hưởng nhất định: quán tính của vành và lốp xe, hệ số cản khí động và khác biệt trong kết cấu lý giải cho việc mẫu Cadillac có kết quả gần như tương đồng với Silverado 1500 ZR2 dù nặng hơn.

2. Những khác biệt giữa công suất và momen

Có vô số những tranh luận về công suất, momen và yếu tố nào quan trọng hơn để đánh giá một khối động cơ. Vậy nhưng, hai yếu tố này có những ý nghĩa riêng biệt và đều cần được xét tới.

Momen thường biểu thị bằng đơn vị Nm hoặc lb-ft, là lực xoắn tạo ra bởi động cơ. Để dễ hiểu, chúng ta có thể coi đó là “sức mạnh”. Còn công suất thì đại diện cho tốc độ sản sinh ra sức mạnh đó.

Ví dụ, khi hỏi hai người với cùng một câu “Bạn có thể nâng mức tạ bao nhiêu?”. Nếu câu trả lời của hai người giống nhau, chẳng hạn như “140 kg trong 5 lần”, điều này có nghĩa hai người có cùng sức mạnh, tuy nhiên công suất mà hai người sản sinh chưa chắc chắn đã giống nhau.

Nếu người đầu tiên có thể hoàn thành bài tập đó trong 10 giây và người thứ hai cần tới một phút, rõ ràng người thứ nhất sở hữu công suất lớn hơn.

Quay trở lại lĩnh vực xe hơi, những cỗ máy sử dụng diesel thường tạo ra lượng momen lớn, có lợi cho việc kéo tải nặng. Tuy nhiên, bởi giới hạn tua máy và tốc độ vòng quay thấp, những cỗ máy này sản sinh momen chậm hơn. Vì vậy, với hai khối động cơ có cùng momen, động cơ xăng sở hữu công suất cao hơn so với động cơ diesel.

Mã lực là đơn vị để đo công suất, đại diện cho tốc độ mà động cơ tạo ra lượng momen. Dù không cần đến kiến thức toán học để hiểu về khái niệm công suất, một phép tính thú vị mà người hâm mộ nên biết là mối quan hệ giữa công suất, momen và tua máy.

Với momen trên thang đơn vị lb-ft, ta có công thức: Mã lực = Momen x tua máy/5.252. Từ đó, ta có thể ứng dụng vào thực tế đối với những biểu đồ thể hiện công suất và momen (tinh bằng lb-ft): Hai đường biểu diễn công suất và momen sẽ luôn giao cắt tại vòng tua 5.252 vòng/phút. Nếu không phải như vậy, chắc chắn xảy ra lỗi trong quá trình đo.

3. Cách đo mã lực?

Mã lực thường được đo tại hai điểm: Trục khuỷu của động cơ và tại bánh xe. Con số nhận được tại hai điểm này cũng khác nhau, và mã lực khi đo tại bánh xe sẽ luôn thấp hơn tại trục khuỷu bởi một phần năng lượng đã bị tổn hao vì ma sát tại hệ truyền động và hộp số. Thông thường, tổn thất này khoảng 10-20%.

Các hãng xe thường đo mã lực sử dụng máy đo lực kế, với công dụng tạo ra lực cản đối với trục khuỷu hoặc bánh đà của động cơ và đo momen. Sau đó, công suất được đo sử dụng công thức nêu trên. Để đảm bảo mức độ ổn định và chính xác cho số liệu, hầu hết các nhà sản xuất và xưởng độ đều tuân thủ tiêu chuẩn SAE J1349 cho xe sử dụng xăng và diesel, tiêu chuẩn SAE J2908 đối với xe hybrid và xe điện.

Việc này giúp đảm bảo các động cơ khác nhau đều được kiểm tra trong điều kiện tương đương và cung cấp hệ số bù nhiệt độ, độ ẩm và áp suất khí quyển phù hợp. Trước khi những nguyên tắc này được áp dụng, các nhà sản xuất thường khai khống mức công suất bằng cách loại bỏ giới hạn cho hệ thống nạp, hệ thống xả và tháo đi những chi tiết tiêu hao năng lượng như máy phát khi chạy dyno.

Tuy nhiên, cần phải lưu ý rằng ngay ở thời điểm hiện tại, vẫn có những cách để ngụy tạo mức công suất của động cơ. Nếu muốn đảm bảo mọi tiêu chuẩn đều được tuân thủ, chúng ta sẽ cần đến tem chứng nhận của SAE bởi điều đó có nghĩa là người đại diện của SAE đã có mặt để xác thực bài kiểm tra.

Công cụ phổ biến và dễ tiếp cận nhất đối với các xưởng độ và cá nhân là máy đo dyno tại khung (chassis dyno), khi đó công suất sẽ được đo tại bánh xe. Những khối động cơ tự sản xuất bởi các xưởng độ có thể được khởi động và tinh chỉnh ngay cả khi đặt trong xe, vì vậy máy đo dyno tại khung là công cụ phù hợp để so sánh mỗi khi có sự thay đổi trong hệ truyền động.

Tuy chúng ta không nhận được con số chính xác như “tại trục”, công suất tại bánh xe cũng không kém quan trọng bởi đây chính là sức mạnh trực tiếp tạo ra chuyển động cho xe.

4. Những đơn vị dùng cho công suất

Đối với công suất động cơ, đơn vị phổ biến trên toàn thế giới là kilowatt. Tại Mỹ, kilowatt thường được sử dụng để nói về công suất điện, vì vậy sự phổ biến của đơn vị này tăng lên cùng với sự phát triển của xu hướng xe điện.

Đơn vị này được dùng để mô tả cả công suất sạc (tốc độ sạc của xe) và động cơ điện của xe (tốc độ sản sinh lực kéo của xe hay khả năng tăng tốc). Để quy đổi đơn vị từ kilowatt sang mã lực, ta nhân con số đang có với 1,34102.

Đơn vị mã lực hệ mét (metric horsepower) thường được dùng tại các quốc gia châu Âu với cùng ký hiệu viết tắt là “hp”, tuy nhiên hai đơn vị này không giống nhau. Mã lực hệ mét được tính tương tự như mã lực, tuy nhiên thay vì sử dụng phép tính với lb-ft, công thức trên được áp dụng với kilogram và mét.

Thông thường, một mã lực theo cách tính của Mỹ có giá trị lớn hơn so với mã lực của châu Âu. Trong tiếng Pháp, mã lực được viết là chevaux-vapeur (CV) và đối với tiếng Đức là Pfedestärke (PS). Tất cả các đơn vị này là một, và chúng chỉ có giá trị gần tương đương với mã lực của Mỹ.

Nếu một nhà sản xuất muốn cung cấp thông tin chính xác, họ sẽ dùng các đơn vị khác nhau theo từng quốc gia. Ví dụ, ở Anh Quốc, Audi R8 được công bố sở hữu mức công suất 570 PS. Tuy nhiên, tại Mỹ, con số được dùng để quảng cáo là 562 hp. Để quy đổi giữa mã lực hệ mét (PS, CV) và mã lực của Mỹ, ta nhân với 0,98632.

5. Những công thức này có thực sự cần thiết khi chọn xe hay không?

Giờ đây, khi đã nắm được khái niệm cơ bản về mã lực, bạn đọc có thể đưa ra quyết định chính xác hơn khi lựa chọn xe – và tất nhiên là không thực sự cần phải sử dụng đến toán học. Thông thường, mỗi mẫu xe đều được cung cấp vài tùy chọn động cơ khác nhau với những ưu và nhược điểm riêng.

Ví dụ, Ford F-150 được cung cấp 7 tùy chọn động cơ cho phiên bản 2023. Để dễ hình dung, chúng ta có thể so sánh nhanh bốn tùy chọn động cơ xăng trên cấu hình F-150 tiêu chuẩn (không bao gồm hệ truyền động hybrid và hai động cơ Raptor hiệu suất cao).

Cùng xét tới trường hợp cụ thể sau: bạn đang tìm kiếm một mẫu xe phục vụ mục đích hàng ngày, bạn sở hữu một chiếc xuồng máy nhỏ và đôi khi muốn giao chiếc xe của mình cho một người bạn mới tập lái. Mẫu xe được chọn phải có khả năng kéo tốt để mang theo chiếc xuồng, vượt xe khác nếu cần nhưng không quá mạnh đối với người mới lái.

Đầu tiên, khối động cơ V6 3,3L với 290 hp có vẻ là một lựa chọn không tồi. Tuy nhiên, chiếc xuồng yêu cầu nhiều khả năng kéo hơn bởi khối lượng lớn cùng lực cản tăng đáng kể. Vì vậy, cỗ máy này có thể khiến chủ xe đôi khi phải chịu thua thiệt.

Hai tùy chọn V6 3,5L tăng áp kép và V8 5,0L đều cực kỳ hấp dẫn, tuy nhiên với công suất 400 hp và lượng momen lớn, cỗ máy này có thể vượt ngoài tầm kiểm soát của người mới tập lái khi xe chạy trong phố.

Từ đó, ta có thể kết luận rằng cỗ máy V6 2,7L tăng áp kép với 325 hp và 542 Nm sẽ là lựa chọn phù hợp nhất. Sức mạnh này đảm bảo xe không phải “quái vật” trên đường phố, nhưng vẫn có thừa sức kéo cùng khả năng vượt tốc tốt khi đi đường trường.

6. Vì sao đơn vị đo công suất lại tính theo “ngựa”?

Vào thập niên 1700, ông James Watt, nhà phát minh người Scotland đã có kế hoạch bán những khối động cơ hơi nước của mình cho các nhà nấu bia, nhà máy rượu, giấy, bông,… Để có thể thay đổi những tư tưởng lạc hậu thời bấy giờ rằng “nếu đồ chưa hỏng, chưa cần phải thay”, ông Watt cần chứng minh rằng cỗ máy của ông mạnh mẽ hơn so với một con ngựa.

Để liên hệ khối động cơ hơi nước của mình với thứ mà mọi người có thể nắm bắt được, ông đã quan sát các hầm mỏ khai thác than đá và nhận thấy rằng một con ngựa có thể kéo 150 kg đi quãng đường 30,5 m trong một phút.

Sau này, con số được tiêu chuẩn hóa trở thành 250 kg trên quãng đường 0,3 m trong một giây. Khi mà động cơ hơi nước chỉ có công suất khoảng 1-2 mã lực, con số này khá dễ hình dung.

Tuy nhiên, ngày nay, với những cỗ máy lên đến hàng ngàn mã lực, chúng ta có lẽ không thể tưởng tượng khối lượng tải đó có thể được vận chuyển bởi ngựa ra sao.