Chào các bác. Mấy hôm em bận bịu quá bây giờ mới có time up tiếp cho các bác đọc chơi ạ

(...tiếp theo phần trước: Động cơ 101: P4.1 - Suất tiêu hao nhiên liệu)

2. Biểu đồ đặc tính

Tương tự momen xoắn và công suất, ta sẽ cùng xây dựng biểu đồ đặc tính suất tiêu hao nhiên liệu cho khối động cơ ví dụ trong hai phần trước. Quay lại với công thức (1) (phần trước) để tính được giá trị của BSFC, ta cần tính tốc độ dòng khối lượng m(f) và công suất P. Dàn dyno cho ta kết quả đo m(f) theo bảng sau. Tạm thời hãy bỏ qua đại lượng MEP nhìn thấy trong bảng, em sẽ đề cập tới khái niệm này ở một bài viết khác.

Bảng kết quả tốc độ dòng khối lượng (mass flow rate) đo được.

Để cho trực quan, ta biểu diễn dưới dạng lưới. Dễ dàng nhận thấy, m(f) tăng khi vòng tua máy hoặc momen xoắn tăng.

Thể hiện bằng biểu đồ dạng lưới.

Kết hợp với kết quả đo công suất trong phần 3 và (1) (phần trước), ta thu được bảng kết quả tính toán BSFC như sau. Tại mỗi tốc độ động cơ và mức momen xoắn (hay vị trí chân ga) khác nhau, quá trình sử dụng nhiên liệu của động cơ là khác nhau và do đó, giá trị BSFC cũng khác nhau.

Bảng kết quả BSFC sau khi tính toán.

Và khi biểu diễn dưới dạng lưới:

Thể hiện bằng biểu đồ dạng lưới.

Nhìn vào biểu đồ lưới trên, ta nhận thấy một “vùng trũng” màu tối rất rõ. Tại đây, giá trị BSFC là thấp nhất (244.8 trong ví dụ trên), tức động cơ hoạt động tại vùng này tiêu thụ nhiên liệu hiệu quả nhất. Hay nói cách khác, tại dải tua máy 1,500 - 4,000 rpm và dải momen xoắn 90 - 150 Nm, động cơ trên tiết kiệm nhiên liệu nhất.

Khi thể hiện các giá trị BSFC đo được lên một biểu đồ dạng điểm và nối các điểm này lại với nhau, ta thu được một biểu đồ dạng đường viền (contour map). Đây là một biểu đồ thường được sử dụng khi thể hiện độ cao (ví dụ nối các điểm có cùng độ cao trên một ngọn núi), chính vì vậy áp dụng vào BSFC là hoàn toàn hợp lý. Trong kỹ thuật, người ta thường sử dụng contour map để thể hiện đặc tính suất tiêu hao nhiên liệu.

Thể hiện bằng biểu đồ dạng đường viền.

Đặt năm điểm A,B,C,D,M tại các vị trí xác định trong biểu đồ trên. Khi đó, các điểm A,B nằm trên cùng một đường nên tại trạng thái A,B mức tiêu hao nhiên liệu của động cơ là như nhau. Chú ý rằng, tại A, động cơ quay 750 rpm, trong khi tại B, động cơ quay tới 4,600 rpm. Ngoài ra, phần lớn các đường là không khép kín, trừ một hoặc một vài đường BSFC từ nhỏ tới cực tiểu, nơi chứa điểm M. Tại M (thường khi động cơ đạt vòng tua trung bình và momen xoắn cực đại), động cơ tiết kiệm nhiên liệu nhất. M cũng chính là trạng thái lý tưởng khi xe chạy trên cao tốc, do đó mức tiêu thụ nhiên liệu của xe khi chạy cao tốc luôn là thấp nhất. Ngược lại, khi chạy trong đô thị, momen xoắn và tốc độ động cơ thay đổi liên tục (do quá trình chạy - phanh - dừng hay chuyển số liên tục) nên M di chuyển liên tục trên biểu đồ và thường xuyên phải “lui tới” vị trí điểm D. Tại D, BSFC khá cao, dẫn đến việc xe chạy hao xăng hơn nhiều.

Xe di chuyển trong đô thị tốn nhiều nhiên liệu nhất.

3. Biểu đồ hiệu năng nhiệt (tham khảo)

Như ta đã đề cập ở trên, hiệu năng nhiệt n(f) được tính bởi BSFC và LHV. Tại các trạng thái hoạt động khác nhau, BSFC khác nhau, và do vậy n(f) cũng khác nhau. Khi nhà sản xuất nhắc tới hiệu năng nhiệt, ta ngầm hiểu đó là mức hiệu năng lớn nhất (đạt được tại trạng thái tối ưu nhất của xe). Ví dụ, khi Toyota nói rằng động cơ đốt trong mới của họ sẽ đạt mức hiệu năng nhiệt (thermal efficiency) 40%, ta hiểu rằng con số 40% này chỉ đạt được ở một trạng thái nhất định của động cơ (và với loại nhiên liệu cực tốt) mà thôi. Áp dụng công thức (2) (phần trước) với điều kiện sử dụng nhiên liệu là xăng thường, ta tính được bảng giá trị n(f) sau cho động cơ trong ví dụ:

Bảng kết quả BSFC sau khi tính toán.

Và biểu thị bằng biểu đồ dạng lưới:

Thể hiện bằng biểu đồ dạng lưới.

Ta dễ dàng nhận thấy sự tương quan giữa biểu đồ hiệu năng nhiệt và biểu đồ đặc tính suất tiêu hao nhiên liệu. Lưu ý rằng, việc em thể hiện biểu đồ hiệu năng nhiệt trên đây chỉ mang tính chất tham khảo vì như đã nói, giới kỹ thuật thường sử dụng biểu đồ đặc tính suất tiêu hao nhiên liệu khi nghiên cứu đầy đủ về động cơ. Ngược lại, hiệu năng nhiệt khi được nhắc tới chỉ là giá trị lớn nhất.

Theo bác so với momen xoắn và công suất thì BSFC có quan trọng không? Hãy để lại bình luận bên dưới và đón đọc các phần tiếp theo trong series “Động cơ 101” nhé.

(...tiếp theo phần trước: Động cơ 101: P3.2 - Công suất)

Khi nói về mức độ tiêu thụ nhiên liệu, các nhà sản xuất thường cung cấp số lít nhiên liệu xe sử dụng trên 100 km ở ba điều kiện sử dụng cơ bản là trong đô thị, trên cao tốc, và hỗn hợp. Tuy nhiên, chỉ số này là sự kết hợp của một tổ hợp nhiều yếu tố phức tạp, bao gồm hiệu năng động cơ, trọng lượng xe, ma sát, khí động lực học… Trong kỹ thuật, khi tập trung khai thác khối động cơ của xe và loại bỏ các yếu tố khác, ta sử dụng khái niệm suất tiêu hao nhiên liệu (brake-specific fuel consumption, hay BSFC). Trong bài viết này, em sẽ giới thiệu đôi nét căn bản về khái niệm thú vị này.

Suất tiêu hao nhiên liệu đang dần trở nên quan trọng.

1. Công thức tính suất tiêu hao nhiên liệu

Ok, vậy suất tiêu hao nhiên liệu (BSFC) là gì? Như ta đã biết, khi hoạt động, một động cơ đốt trong cần sử dụng nhiên liệu và không khí để tạo ra năng lượng (thông qua quá trình đốt cháy). Cũng giống như momen xoắn, người ta đo được lượng nhiên liệu tiêu thụ này thông qua dàn dyno bởi đại lượng tốc độ dòng khối lượng (mass flow rate), có đơn vị kg/s. Vấn đề là, ta không biết được động cơ sản sinh bao nhiêu công suất với tốc độ dòng nhiên liệu như vậy. Do đó, ta không đánh giá được mức độ hiệu quả của việc tiêu thụ nhiên liệu. Khi này, chia tốc độ dòng khối lượng [g/s] cho công suất sản sinh [kW], ta được đại lượng suất tiêu hao nhiên liệu. Như vậy, suất tiêu hao nhiên liệu là đặc tính kỹ thuật đánh giá hiệu năng tiêu thụ nhiên liệu của động cơ. Đơn vị thường sử dụng của BSFC là g/kWh.

BSFC = m(f) x 3,600 / P (1)​

Trong đó:
m(f) [g/s]: tốc độ dòng khối lượng (mass flow rate)
P [kW]: công suất
BSFC [g/kW.h]: suất tiêu hao nhiên liệu

Động cơ có chỉ số BSFC càng thấp thì độ hiệu quả tiêu thụ nhiên liệu càng cao. Đối với động cơ xăng, BSFC rơi vào khoảng 250 g/kWh. Con số này cho động cơ dầu là khoảng 200 g/kWh. Đây cũng là lý do mà động cơ chạy dầu thì thường tiết kiệm nhiên liệu hơn động cơ chạy xăng. Ta sẽ đi sâu hơn một chút về vấn đề này để hiểu rõ tại sao.

Rõ ràng, xe chạy dầu tiết kiệm hơn xe chạy xăng.

Về bản chất, các loại nhiên liệu như xăng hay dầu đã tích trữ sẵn năng lượng. Thông qua quá trình cháy, lượng năng lượng này được giải phóng dưới nhiều dạng năng lượng khác (cơ năng, nhiệt năng…). Đối với quá trình cháy bên trong một động cơ đốt trong, chỉ một phần năng lượng của nhiên liệu thực sự tạo ra cơ năng tại trục khuỷu (cơ năng này sản sinh momen xoắn như ta đã giải thích trong phần 2). Biểu đồ dưới đây cho thấy năng lượng của nhiên liệu bị chia tách như thế nào trong quá trình cháy.

Năng lượng của nhiên liệu bị chia tách sau khi cháy.

Dễ dàng nhận thấy, trong và sau khi cháy, nhiên liệu mất tới 30% năng lượng dưới dạng nhiệt năng (nhiệt truyền vào piston và thành xy-lanh). Một lượng khoảng 40% khác nằm ở khí thải, bị mất đi vào thì nổ và xả. Do vẫn chứa khá nhiều năng lượng, luồng khí thải này được tận dụng để khởi chạy hệ thống tăng áp. Khoảng 40% năng lượng còn lại được truyền vào các bộ phận truyền động của động cơ. Tuy nhiên, tại đây, năng lượng tiếp tục hao hụt 5% do ma sát và do khởi chạy bộ nạp điện. Cuối cùng, chỉ 25 - 40% lượng năng lượng nhiên liệu được chuyển hóa thành công có ích (làm quay trục khuỷu). Đây cũng là hiệu năng nhiệt (thermal efficiency) của phần lớn các động cơ đốt trong có trên xe hơi. Các nhà chế tạo động cơ đang liên tục nghiên cứu để nâng cao chỉ số hiệu suất trên các sản phẩm của mình. Hiện nay, kỷ lục hiệu năng nhiệt của động cơ ô tô thuộc về khối Audi 2.5L TDI (sản xuất năm 1990) và khối BMW N47 2L (sản xuất năm 2007). Cả hai đều chạy dầu và đạt mức 42.6%.

Khối động cơ 2.5L TDI của Audi.

Ta hoàn toàn có thể tự tính được mức hiệu năng nhiệt của một động cơ bất kỳ. Như đã nói ở trên, nhiên liệu mang năng lượng, và mỗi loại nhiên liệu thì có một mức mật độ năng lượng (energy density) khác nhau, đại diện bởi đại lượng giá trị nhiệt thấp (lower heating value, LHV) Q(HV), đo bằng lượng năng lượng có trong 1 g nhiên liệu, đơn vị kWh/g. Cụ thể:

Q(HV xăng) = 0.0122222 : mật độ năng lượng xăng thường
Q(HV dầu) = 0.0119531 : mật độ năng lượng dầu

Khi đặt một động cơ lên dàn dyno, ta đo được giá trị BSFC của nó, đồng thời ta biết giá trị LHV của loại nhiên liệu đang sử dụng. Khi đó, hiệu năng nhiệt của động cơ được tính bởi công thức:


Ví dụ, một động cơ chạy xăng có suất tiêu thụ nhiên liệu đo được là 270.5 g/kWh trên dàn dyno sẽ có mức hiệu năng nhiệt là:


(...còn tiếp)

(...bổ trợ bài: Động cơ 101: Phân tích một biểu đồ đặc tính động cơ đơn giản)

Thị trường Việt Nam hẳn không còn xa lạ gì với cái tên Mazda CX-5. Sản xuất từ năm 2012, CX-5 là mẫu xe đầu tiên sở hữu ngôn ngữ thiết kế “Kodo” mới, cũng như được trang bị trọn bộ công nghệ SkyActiv hoàn toàn mới của Mazda. Tại Việt Nam, mẫu xe từng lừng lẫy nhiều năm đứng trên đỉnh phân khúc CUV hạng C. Thế nhưng, hai năm trở lại đây CX-5 liên tục đối mặt với nhiều khó khăn khi doanh số sụt giảm và dần đánh mất thị phần vào tay Honda CR-V cũng như một số cái tên mới xuất hiện. Tuy nhiên, tam gác lại câu chuyện kinh doanh, trong bài viết này ta sẽ cùng tìm hiểu sâu hơn về khối động cơ Skyactiv-G – cỗ máy đóng góp phần lớn đến thành công của “ông vua 5 chỗ” – thông qua những kiến thức đã được đề cập trong series “Động cơ 101”.

CX-5 từng là “ông vua” dòng xe 5 chỗ tại Việt Nam.

1. Các thông số cơ bản

Cỗ máy Skyactiv-G 2.0 mang mã nội bộ PE-VPS là mẫu động cơ đầu tiên được sản xuất trong nhánh Skyactiv-G (máy xăng, đánh lửa bằng bugi). Động cơ có dung tích 1,998 cc với tỷ lệ bore : stroke là 83.5 mm : 91.2 mm. Phiên bản cho thị trường Mỹ có tỷ lệ nén 13:1, sản sinh công suất cực đại 155 hp tại 6,000 rpm và 200 Nm momen xoắn tại 4,600 rpm. Ở một số thị trường khác nơi xăng E85 được sử dụng, động cơ có thể cho ra tới 162 hp công suất và 210 Nm momen xoắn.

Động cơ Skyactiv-G 2.0.

Theo Mazda, Skyactiv-G 2.0 tiết kiệm nhiên liệu hơn nhiều so với cỗ máy tiền nhiệm. Cụ thể, trong đường đô thị, so với mức tiêu thụ 10.2 l/100 km của động cơ Mazda L cũ thì Skyactiv-G chỉ “ngốn” 8.4 l/100 km mà thôi. Tương tự, khi chạy trên cao tốc, tiêu thụ nhiên liệu trên thế hệ động cơ mới cũng chỉ dừng lại ở mức 5.8 l/100 km, cải thiện tới hơn 36%.

Mức tiêu thụ ấn tượng 5.8 l/100 km trên cao tốc.

Ngoài phiên bản 2.0 thì Skyactiv-G còn có các biến thể 1.3 (trên Mazda2), 1.5 (trên CX-3) và 2.5 L (trên CX-8). Đặc biệt, bản 2.0 cũng được lắp đặt trên mẫu xe thể thao MX-5 huyền thoại của hãng. Do yêu cầu hiệu năng cao hơn, phiên bản này được Mazda tinh chỉnh để sản sinh tới 181 hp công suất và redline được nâng từ 6,800 rpm lên 7,500 rpm.

Mẫu xe thể thao MX-5 sử dụng chung động cơ với CX-5.

Ngoài những thông số trên, Skyactiv-G 2.0 còn có một số đặc điểm kỹ thuật nổi bật sau:

• Sử dụng hệ thống xả khí 4-2-1 nhằm tối ưu hình dạng luồng khí xả đi ra khỏi xy-lanh, từ đó tăng sức mạnh động cơ;
• Cường hóa dòng không khí, tăng áp suất phun nhiên liệu, và sử dụng kim phun nhiều lỗ, từ đó rút ngắn thời gian cháy hòa khí, tăng công suất.

2. Biểu đồ đặc tính momen xoắn và công suất

Qua các bài viết trước trong chuỗi bài “Động cơ 101”, ta biết rằng khi nói về động cơ, chỉ nhắc tới các chỉ số cực đại là không đủ. Trên thực tế, ít khi nào ta vận hành động cơ đến các trạng thái này. Vậy hãy cùng xem, tất cả những cải tiến đã đề cập của cỗ máy Skyactiv-G 2.0 khi đưa lên dàn dyno, ta thu được kết quả đo đặc tính như thế nào. Dưới đây là biểu đồ đặc tính đơn giản, chỉ thể hiện đường đặc tính toàn tải (bướm ga mở hoàn toàn).

Biểu đồ đặc tính momen xoắn - công suất của Skyactiv-G 2.0.

Trước hết, ta xác định các điểm A (momen xoắn đạt cực đại Tmax = 201 Nm tại 3,000 rpm) và B (công suất cực đại Pmax = 158 hp tại 6,000 rpm). Từ các điểm này, ta xác định được vùng thấp, vùng đàn hồi, và vùng cao của động cơ Skyactiv-G 2.0. Ta nhận thấy:

+ Tại vùng thấp: Đường momen xoắn khá dốc cho thấy khả năng sản sinh momen xoắn khá tốt khi xe mới khởi chạy. Tuy nhiên, trong phần 3 ta biết rằng chuyển số trong vùng thấp là không tối ưu. Do đó, lực thực tế truyền tới bánh xe trong thời điểm này không đạt được như độ “bốc” của động cơ. Trên thực tế, khi đạp hết ga từ vị trí đứng yên hoặc khi xe đang chạy không tải, ta sẽ nhận thấy CX-5 có một độ trễ nhất định. Phải mất khoảng 3-4 s thì quá trình chuyển số mới hoàn tất và lúc đó thì xe mới lao vút đi được.

+ Tại vùng đàn hồi: Dải đàn hồi đủ rộng và kéo dài một khoảng 3,000 rpm là điểm mạnh của Skyactiv-G. Nhờ vùng đàn hồi rộng, Mazda dễ dàng thiết lập thuật toán chuyển số 6 cấp. Nhờ đó, trải nghiệm lái trở nên mượt mà. Người lái gần như không cảm thấy xe bị “khựng” khi tăng tốc. Tuy nhiên, điểm yếu của động cơ mới của Mazda là vùng đàn hồi này lại nằm khá xa, bắt đầu từ vòng tua lớn 3,000 rpm. Khi đạp hết ga, máy phải mất thời gian quay nhanh tới hơn 3,000 rpm mới có thể sang số. Một “hệ lụy” khác của vùng đàn hồi xa như vậy là máy thường sẽ ăn xăng nhiều hơn khi chạy ở tải cao (đọc tiếp bên dưới).

+ Tại vùng cao: Do đồ thị chỉ thể hiện đặc tính momen xoắn và công suất tới ngưỡng redline 6,200 rpm, ta không có đủ dữ kiện để nhận xét về khả năng hoạt động của Skyactiv-G 2.0 tại vùng này.

Toàn cảnh quá trình tăng vòng tua máy khi tăng tốc (bản 2.5).

(...còn tiếp)

(...tiếp theo phần trước Porsche 911 - P3.2: Sức mạnh của gió)

Người ta nói rằng, cảm hứng ra đời của những chiếc xe mang biểu tượng Porsche là từ đường đua. Khi Ferry Porsche nhận thấy khoảng cách từ xe của ông và của đối thủ qua từng chặng đua, ông ngay lập tức gọi nhân viên của mình tới gần và yêu cầu họ đề xuất các phương án cải thiện. Vì lẽ đó, tại Porsche, vấn đề nghiên cứu-phát triển rất được chú trọng, và Trung tâm Phát triển Weissach (Weissach Development Center) được xem là điểm nhấn lớn nhất.

Trung tâm Phát triển Weissach.

Hoạt động từ năm 1971, đây là cái nôi chứng kiến sự ra đời của hầu hết các mẫu xe nhà Porsche, bao gồm cả những bản nâng cấp cho huyền thoại 911. Ở đây, một chiếc xe hoàn thiện sẽ trải qua 4 bước phát triển chính: hoàn thiện thiết kế, tạo mô hình mẫu, tinh chỉnh tại đường hầm gió, và kiểm tra trên địa hình thực tế. Trong các giai đoạn này, đường hầm gió (wind tunnel) đóng vai trò chủ chốt trong việc quyết định tính khí động lực học của xe.

Thiết kế đường hầm gió tại Trung tâm Phát triển Weissach.

Để cho đơn giản, chúng ta hãy tưởng tượng đường hầm gió là một phòng thí nghiệm cỡ lớn, trong đó chuyển động của chiếc xe được mô phỏng trong điều kiện thực tế nhất, và được quan sát, phân tích thông qua các công cụ đo lường. Nhờ những dữ liệu thu được từ thí nghiệm, các chuyên gia tại Porsche có thể điều chỉnh các chi tiết thiết kế trên xe nhằm đạt được mục tiêu của mình. Để mô phỏng được điều kiện môi trường thực tế nhất, đường hầm gió không đơn giản chỉ là một cánh tua-bin (turbine) quay tạo gió, mà nó thực sự là một đường hầm khổng lồ với những yêu cầu xây dựng chính xác.

Cánh quạt với công suất 7,000 kW.

Tại khoang kiểm tra (test section), vị trí đặt mô hình xe cũng phải được tính toán tỉ mỉ để tránh các sai lệch đo lường, cũng như chuyển động của bánh xe trên đường cũng phải được mô phỏng. Tại trung tâm phát triển Weissach, Porsche có một đường hầm gió cỡ nhỏ (không mô phỏng đường) cho các mô hình với tỉ lệ 1:4, và một đường hầm gió cỡ lớn (có mô phỏng đường) cho mô hình với tỉ lệ 1:1. Phép thử nghiệm trên mô hình nhỏ hơn giúp Porsche tiết kiệm chi phí hơn, vận hành dễ dàng hơn, và tinh chỉnh các chi tiết cũng nhanh chóng hơn. Khác với Porsche nói riêng và các hãng xe Châu Âu nói chung, các tên tuổi xe hơi Mỹ lại ưa thích tỉ lệ 3:8 thay vì 1:4.

Kiểm tra khí động lực học trên 901.

Thông qua đường hầm gió, Porsche nghiên cứu 5 yếu tố chính sau đây của một chiếc xe:

• Thiết kế xe: tính khí động học của thiết kế;
• Hiệu năng xe: hệ số cản gió, tiêu hao nhiên liệu, phát thải, tăng tốc, tốc độ tối đa, tối ưu lực nâng/ép mặt đường, ổn định phanh và vào cua, ổn định gió ngang;
• Tiện nghi: tích tụ bụi bẩn, giảm tiếng ồn gió, điều hướng mùi;
• Lực thành phần: lực của dòng khí tác động lên các bộ phận trên xe;
• Làm mát và điều hòa không khí: làm mát động cơ, khoang động cơ, phanh, vị trí và hình dạng hốc hút gió, điều hòa không khí bên trong khoang lái.

Porsche GT3 tại đường hầm gió.

(...còn tiếp)