otoman.net
Tài xế O-H
(...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.
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)
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:
n(f) = 1 / (BSFC x Q(HV)) (2)
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:
n(f) = 1 / (270.5 x 0.0122222) = 0.3 = 30%
(...còn tiếp)
