Động cơ đốt trong là cỗ máy đốt nhiên liệu ngay bên trong xi lanh, để khí cháy giãn nở đẩy piston, rồi biến chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu. Ở loại phổ biến nhất, mỗi chu trình gồm bốn hành trình piston: nạp hỗn hợp, nén, cháy giãn nở sinh công, và xả khí thải. Trục khuỷu quay hai vòng mới hoàn thành một chu trình.
Điều quyết định hiệu suất không phải nhiên liệu “mạnh” đến đâu mà là hỗn hợp được nén chặt tới mức nào trước khi cháy. Nén càng cao, khí cháy giãn nở qua một hành trình dài hơn tính theo tỷ lệ thể tích, nên lấy được nhiều công hơn từ cùng một lượng nhiệt. Giới hạn của việc nén chính là hiện tượng kích nổ ở động cơ xăng, và đó cũng là lý do động cơ diesel có cách đánh lửa hoàn toàn khác.
Bài dưới đây đi qua bốn kỳ theo đúng trình tự vật lý, đưa ra công thức hiệu suất lý tưởng kèm phép tính cụ thể, rồi giải thích năng lượng thực sự thất thoát ở đâu và cách đọc hai con số mô-men xoắn, công suất trên thông số xe.
Bốn kỳ của một chu trình, theo đúng trình tự
Mô tả dưới đây là động cơ xăng bốn kỳ đánh lửa bằng bugi, kiểu động cơ mà Nikolaus Otto chế tạo thành công ở Đức năm 1876. Hãy hình dung một xi lanh, một piston trượt lên xuống, hai van ở nắp máy và một bugi ở giữa.
- Nạp: piston đi từ điểm chết trên xuống điểm chết dưới, van nạp mở. Áp suất trong xi lanh hạ xuống dưới áp suất khí quyển nên không khí (đã hoặc sẽ được phun xăng vào) tràn vào. Ở động cơ xăng thông thường, bướm ga điều chỉnh lượng khí nạp, tức điều chỉnh tải.
- Nén: hai van đóng, piston đi lên, ép hỗn hợp xuống một thể tích nhỏ hơn nhiều lần. Nhiệt độ và áp suất tăng theo quá trình gần đoạn nhiệt. Tỷ số giữa thể tích lớn nhất và nhỏ nhất của xi lanh gọi là tỷ số nén; xe du lịch chạy xăng hiện nay thường ở khoảng 9 đến 13.
- Cháy và giãn nở (sinh công): bugi đánh lửa hơi trước khi piston lên tới điểm chết trên, vì ngọn lửa cần vài mili giây để lan hết buồng đốt. Áp suất tăng vọt, đẩy piston xuống. Đây là hành trình duy nhất trong bốn kỳ sinh ra công; ba kỳ còn lại được nuôi bằng quán tính bánh đà và các xi lanh khác.
- Xả: van xả mở gần cuối hành trình giãn nở, piston đi lên đẩy khí cháy ra ống xả. Khí thải lúc này vẫn còn rất nóng, mang theo một phần lớn nhiệt chưa biến thành công.
- Lặp lại: hai vòng quay trục khuỷu cho một chu trình. Động cơ bốn xi lanh xếp lệch pha để cứ mỗi nửa vòng quay có một xi lanh sinh công, nhờ vậy mô-men đều hơn và máy êm hơn.
Động cơ hai kỳ gộp nạp và xả vào cuối hành trình giãn nở, sinh công mỗi vòng quay nên gọn và nhẹ, nhưng một phần hỗn hợp mới lọt thẳng ra ống xả. Đó là lý do xe máy hai kỳ từng phổ biến ở Việt Nam đã gần như biến mất trước các tiêu chuẩn khí thải.
Vì sao nén cao thì hiệu suất cao: chu trình Otto lý tưởng
Nhiệt động học mô hình hoá động cơ xăng bằng chu trình Otto lý tưởng: nén đoạn nhiệt, cấp nhiệt ở thể tích không đổi, giãn nở đoạn nhiệt, thải nhiệt ở thể tích không đổi. Với khí lý tưởng có tỷ số nhiệt dung γ, hiệu suất của chu trình chỉ phụ thuộc vào tỷ số nén r: η = 1 − r^(1−γ). Nhiên liệu, kích thước xi lanh hay tốc độ quay không xuất hiện trong công thức.
Thử với không khí (γ ≈ 1,4) và r = 10: 10 mũ 0,4 bằng khoảng 2,51, nên η ≈ 1 − 1/2,51 ≈ 60%. Nâng r lên 14 thì η ≈ 65%. Hạ xuống 7 thì còn khoảng 54%. Đường cong này dốc ở vùng tỷ số nén thấp và thoải dần ở vùng cao, nghĩa là mỗi đơn vị tỷ số nén thêm mang lại ít lợi ích hơn đơn vị trước.
Con số 60% là trần lý thuyết cho chu trình lý tưởng, không phải hiệu suất của xe bạn đang đi. Khí thật có nhiệt dung thay đổi theo nhiệt độ, sự cháy không tức thời, thành xi lanh hút nhiệt, van và piston có ma sát. Hiệu suất nhiệt có ích (đo trên trục) của động cơ xăng ô tô phổ thông thường quanh 25–35%, các thiết kế tối ưu gần đây công bố mức khoảng 40%. Động cơ diesel hai kỳ cỡ lớn dùng cho tàu biển là nhóm hiếm hoi vượt 50%.
Trực giác vật lý phía sau công thức: nhiệt cấp vào khi khí đang bị nén chặt sẽ làm áp suất tăng rất cao, và khí có một hành trình giãn nở dài (tính theo tỷ lệ thể tích) để trả lại công. Nén kém thì khí cháy chưa kịp giãn nở bao nhiêu đã bị xả ra, mang theo nhiệt chưa dùng hết.
Kích nổ và chỉ số octan: bức tường của động cơ xăng
Nếu nén cao có lợi đến vậy, tại sao không nén động cơ xăng lên 20? Câu trả lời là kích nổ. Khi bugi đánh lửa, mặt lửa lan dần qua buồng đốt và ép phần hỗn hợp chưa cháy ở rìa (gọi là khí cuối) nóng lên thêm. Nếu khí cuối đạt tới điều kiện tự bốc cháy trước khi mặt lửa tới nơi, nó cháy gần như đồng loạt, tạo sóng áp suất dội vào thành xi lanh. Người lái nghe tiếng lách cách kim loại; về lâu dài piston, xéc-măng và gioăng nắp máy có thể hỏng.
Chỉ số octan đo khả năng chống tự bốc cháy của xăng, so với hỗn hợp chuẩn giữa iso-octan (quy ước 100) và n-heptan (quy ước 0). Xăng RON 95 không chứa “nhiều năng lượng hơn” RON 92; nhiệt trị của chúng gần như nhau. Khác biệt duy nhất là RON 95 chịu được nén và đánh lửa sớm hơn trước khi kích nổ. Đổ xăng octan cao cho động cơ thiết kế cho octan thấp không làm xe mạnh hơn đáng kể; ngược lại, đổ octan thấp cho động cơ nén cao buộc hệ thống điều khiển phải lùi góc đánh lửa, làm giảm công suất và hiệu suất.
Ngành ô tô đẩy bức tường này lùi xa bằng nhiều cách: phun xăng trực tiếp vào xi lanh để sự bay hơi làm mát hỗn hợp, cảm biến kích nổ cho phép chạy sát giới hạn, buồng đốt thiết kế cho mặt lửa lan nhanh, và chu trình Atkinson đóng van nạp muộn để tỷ số giãn nở lớn hơn tỷ số nén thực. Cách cuối được dùng nhiều trên xe hybrid, nơi mô-tơ điện bù cho phần công suất thấp ở vòng tua thấp.
Động cơ diesel khác động cơ xăng ở đâu
Rudolf Diesel được cấp bằng sáng chế cho ý tưởng đánh lửa bằng nén vào đầu thập niên 1890, và động cơ chạy được ra đời vào cuối thập niên đó. Thay vì tránh tự bốc cháy, diesel dựa hẳn vào nó: nén không khí thuần đến nóng hơn nhiệt độ tự cháy của dầu, rồi phun nhiên liệu vào đúng lúc cần cháy.
| Tiêu chí | Động cơ xăng (đánh lửa bằng bugi) | Động cơ diesel (đánh lửa bằng nén) |
|---|---|---|
| Cách bắt đầu cháy | Tia lửa bugi đốt hỗn hợp đã trộn sẵn | Nhiên liệu phun vào không khí nóng do nén, tự bốc cháy |
| Tỷ số nén thường gặp | Khoảng 9–13 | Khoảng 15–22 |
| Điều chỉnh tải | Bướm ga hạn chế lượng khí nạp, gây tổn thất bơm | Không cần bướm ga, chỉ thay đổi lượng nhiên liệu phun |
| Tỷ lệ khí–nhiên liệu | Giữ quanh tỷ lệ hoá học (khoảng 14,7:1) để bộ xúc tác ba chiều hoạt động | Luôn dư không khí, đặc biệt khi tải nhẹ |
| Hiệu suất ở tải nhẹ | Kém hơn rõ rệt do tổn thất bơm | Tốt hơn, là lợi thế lớn nhất của diesel |
| Vấn đề khí thải chính | CO, hydrocarbon chưa cháy, NOx — xử lý tốt bằng xúc tác ba chiều | NOx và bồ hóng, cần bộ lọc hạt và hệ thống khử NOx |
| Kết cấu | Nhẹ hơn, vòng tua cao hơn | Nặng, chắc để chịu áp suất cao, vòng tua thấp hơn |
Hai cột trên cho thấy một đánh đổi khó tránh: cháy với nhiều không khí dư và nhiệt độ cao giúp hiệu suất, nhưng cũng tạo NOx; giảm nhiệt độ cháy để bớt NOx thì bồ hóng tăng. Đây là lý do hệ thống xử lý khí thải của động cơ diesel hiện đại phức tạp và tốn kém hơn hẳn động cơ xăng cùng cỡ.
Năng lượng của một lít nhiên liệu đi đâu
Khí thải mang đi một phần lớn. Khí rời xi lanh ở nhiệt độ hàng trăm độ C. Trong cách phân bổ thường gặp ở giáo trình, khí thải và nước làm mát mỗi bên lấy đi cỡ một phần ba năng lượng nhiên liệu. Bộ tăng áp turbo tận dụng một phần năng lượng này để nén khí nạp.
Hệ thống làm mát lấy đi phần lớn còn lại. Thành xi lanh phải giữ dưới giới hạn chịu nhiệt của kim loại và dầu bôi trơn, nên nhiệt liên tục bị kéo qua nước làm mát ra két nước. Không có tổn thất này động cơ hỏng, nhưng mỗi jun đi vào nước làm mát là một jun không thành công.
Ma sát cơ khí. Xéc-măng trượt trên thành xi lanh, ổ trục, trục cam, bơm dầu, bơm nước đều tiêu thụ công. Ma sát chiếm tỷ trọng lớn hơn khi động cơ chạy tải nhẹ, vì công sinh ra nhỏ mà ma sát gần như không giảm theo.
Tổn thất bơm. Ở động cơ xăng chạy tải nhẹ, bướm ga khép gần kín, piston phải “hút” khí qua một khe hẹp. Công đó mất trắng. Đây là một lý do xe xăng chạy trong phố tắc đường tốn nhiên liệu hơn nhiều so với chạy đều trên cao tốc.
Cháy không hoàn toàn và khởi động lạnh. Một phần nhỏ nhiên liệu ra khỏi động cơ khi chưa cháy hết, nhất là lúc máy còn lạnh. Đó là lý do quãng đường ngắn vài cây số trong đô thị có mức tiêu hao và khí thải tính theo kilômét cao hơn hẳn.
Đọc thông số: mô-men xoắn, công suất và vòng tua
Hai con số luôn xuất hiện trên bảng thông số là mô-men xoắn cực đại (N·m) và công suất cực đại (kW hoặc mã lực). Chúng liên hệ bằng một công thức đơn giản: P = T × ω, trong đó ω là tốc độ góc tính bằng radian mỗi giây. Mô-men cho biết lực vặn trục khuỷu ở mỗi vòng, công suất cho biết lực vặn đó được thực hiện nhanh đến đâu.
Ví dụ giả định: một động cơ đạt 200 N·m ở 4.000 vòng/phút. Đổi ra ω = 4.000 × 2π / 60 ≈ 419 rad/s, nên công suất tại điểm đó khoảng 200 × 419 ≈ 84 kW, xấp xỉ 112 mã lực. Nếu cùng động cơ giữ được 180 N·m ở 6.000 vòng/phút, công suất lên tới khoảng 113 kW dù mô-men đã giảm. Công suất cực đại vì thế thường nằm ở vòng tua cao hơn điểm mô-men cực đại.
Cảm giác “bốc” khi đạp ga ở tốc độ thấp phụ thuộc vào mô-men có sẵn ở vòng tua thấp, nên động cơ tăng áp và mô-tơ điện (có mô-men gần như tối đa từ vòng quay đầu tiên) cho cảm giác mạnh hơn động cơ hút khí tự nhiên cùng công suất. Còn tốc độ tối đa và khả năng tăng tốc ở dải cao do công suất quyết định, vì lực cản không khí tăng theo bình phương vận tốc và công suất cần để thắng nó tăng theo lập phương.
Một mẹo kiểm tra khi đọc tài liệu: nếu thấy ai đó so “động cơ A mạnh hơn B” chỉ bằng mô-men mà không nói vòng tua, phép so sánh chưa đủ dữ kiện. Hộp số có thể nhân mô-men lên nhiều lần, nhưng không hộp số nào tạo thêm công suất.
Giới hạn của động cơ đốt trong và những gì còn cải tiến được
Sau hơn một thế kỷ tối ưu, động cơ đốt trong đã đến vùng mà mỗi điểm phần trăm hiệu suất phải đổi bằng chi phí và độ phức tạp lớn. Bức tranh hiện tại có thể tóm lược như sau.
- Trần nhiệt động học là có thật: ngay cả chu trình lý tưởng cũng phải thải nhiệt ra môi trường. Các giới hạn vật liệu (nhiệt độ thành xi lanh, áp suất cực đại) và kích nổ khiến động cơ thực tế ở rất xa trần đó.
- Tăng áp và thu nhỏ dung tích: động cơ nhỏ có tăng áp chạy ở vùng tải cao hơn trong sử dụng thường ngày, giảm tổn thất bơm và ma sát. Đổi lại, hệ thống nhạy với chất lượng bảo dưỡng và nhiên liệu.
- Điều khiển van biến thiên: thay đổi thời điểm và độ mở van theo tải giúp động cơ chạy gần chế độ tối ưu ở nhiều dải vòng tua, thậm chí thay một phần chức năng của bướm ga.
- Cháy nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) và các biến thể: hướng kết hợp hiệu suất của diesel với khí thải sạch của xăng. Đã có sản phẩm thương mại dùng một dạng đánh lửa nén có bugi hỗ trợ, nhưng điều khiển thời điểm cháy trên mọi điều kiện vẫn là bài toán khó.
- Lai điện (hybrid): cho động cơ chạy ở vùng hiệu suất tốt nhất và tắt hẳn khi không cần, để mô-tơ điện gánh phần tải nhẹ và thu hồi năng lượng phanh. Trong đô thị đông xe như Hà Nội hay TP.HCM, đây là cách giảm tiêu hao rõ rệt nhất mà không phải thay đổi hạ tầng.
- Nhiên liệu thay thế: xăng pha cồn E5, E10, nhiên liệu tổng hợp hay hydro có thể đốt trong động cơ đốt trong với sửa đổi ở mức khác nhau; câu hỏi lớn nằm ở chuỗi sản xuất nhiên liệu, không nằm ở bản thân động cơ.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao động cơ cần đánh lửa sớm trước điểm chết trên?
Ngọn lửa cần một khoảng thời gian hữu hạn để lan hết buồng đốt. Nếu đánh lửa đúng điểm chết trên, áp suất cực đại xuất hiện khi piston đã đi xuống khá xa, phí mất công. Góc đánh lửa tối ưu thay đổi theo vòng tua và tải, nên bộ điều khiển động cơ tính lại liên tục, đồng thời lùi góc khi cảm biến phát hiện kích nổ.
Tỷ lệ khí–nhiên liệu 14,7:1 từ đâu ra?
Đó là tỷ lệ khối lượng không khí vừa đủ oxy để đốt cháy hoàn toàn xăng điển hình, tính từ phương trình hoá học của các hydrocarbon trong xăng. Bộ xúc tác ba chiều chỉ đồng thời khử NOx và oxy hoá CO, hydrocarbon hiệu quả trong một cửa sổ hẹp quanh tỷ lệ này, nên cảm biến oxy trong ống xả liên tục hiệu chỉnh lượng phun.
Động cơ quay ngược hay chạy chậm hơn có bền hơn không?
Mòn phụ thuộc nhiều vào chất lượng bôi trơn, nhiệt độ làm việc và số lần khởi động lạnh hơn là vào vòng tua đơn thuần. Chạy quá thấp vòng tua ở tải cao (ghì số) lại làm tăng ứng suất ổ trục và nguy cơ kích nổ. Vận hành trong dải vòng tua nhà sản xuất khuyến nghị và thay dầu đúng hạn quan trọng hơn cố giữ vòng tua thấp.
Vì sao động cơ Wankel (piston quay) ít phổ biến?
Động cơ Wankel gọn, êm, công suất riêng cao, nhưng buồng đốt dài và dẹt làm tổn thất nhiệt lớn và cháy không hoàn toàn, còn gioăng đỉnh rô-to khó làm kín bền lâu. Kết quả là tiêu hao nhiên liệu và khí thải kém hơn động cơ piston, khiến nó chỉ còn xuất hiện trong vài ứng dụng ngách như bộ phát điện kéo dài tầm hoạt động.
Hiệu suất của động cơ đốt trong so với mô-tơ điện chênh nhau thế nào?
Mô-tơ điện cỡ ô tô thường biến hơn 90% điện năng thành cơ năng, gấp hai đến ba lần động cơ xăng. Nhưng so sánh công bằng phải tính cả chuỗi phía trước: điện được sản xuất từ nguồn nào, tổn thất truyền tải và sạc, giống như với xăng phải tính khâu khai thác và lọc dầu. Hiệu suất tại trục chỉ là một mắt xích.
Tăng áp turbo có làm giảm tuổi thọ động cơ không?
Tăng áp làm áp suất và nhiệt độ trong xi lanh cao hơn, đòi hỏi piston, gioăng và dầu bôi trơn tốt hơn, và bản thân turbo quay rất nhanh nên nhạy với dầu bẩn. Động cơ được thiết kế cho tăng áp từ đầu thường bền ngang động cơ hút khí tự nhiên nếu bảo dưỡng đúng; vấn đề hay phát sinh từ dầu kém chất lượng hoặc tắt máy ngay sau khi chạy tải nặng.