dangle.9xyz
Tài xế O-H
NHỮNG PHÁT MINH VÀ SÁNG CHẾ GÓP PHẦN HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN Ô TÔ (Phần 3)
MÁY KHỞI ĐỘNG ĐIỆN
- Kiến thức cơ bản môn “Introduction to Automotive Engineering” năm 1 ngành CNKT Ô tô -
Máy khởi động điện (electric starter, cranking motor, starter motor).
Thuở ban đầu tay quay (crank) bởi sức người được dùng để khởi động động cơ ô tô. Đây là công việc rất nặng nhọc và gian khổ, nhất là vào mùa đông xứ lạnh. Một số phương pháp khởi động khác như dùng lò xo nén, khí nén hoặc xy lanh chứa thuốc súng cũng được sử dụng. Vài loại động cơ cỡ lớn trên máy kéo hoặc tàu thủy còn dùng động cơ đốt trong nhỏ hơn (động cơ phụ) để đề. Việc phát minh ra hệ thống khởi động bằng điện đã giải phóng sức lực của tài xế mỗi khi đề máy.
Máy khởi động là thiết bị dùng để quay động cơ, thường thông qua bánh đà cho đến khi động cơ đốt trong có thể tự hoạt động bằng công của nó (nổ máy). Như chúng ta đã biết, động cơ đốt trong là một hệ thống cung cấp ngược, mỗi khi máy đã nổ, năng lượng quán tính tích lũy qua bánh đà từ mỗi chu kỳ sẽ cung cấp động năng cho kỳ kế tiếp. Trong một động cơ 4 kỳ chẳng hạn, năng lượng tạo ra từ sự cháy của nhiên liệu trong kỳ nổ sẽ cung cấp cho kỳ thải và 2 kỳ hút và nén của chu trình kế tiếp cũng như kéo tải bên ngoài. Chính máy khởi động điện đã cung cấp năng lượng (chuyển từ điện năng trong bình ắc quy sang cơ năng) cho các kỳ đầu tiên khi động cơ chưa hoạt động.
Hình 1. Khởi động bằng tay quay
Máy khởi động (ở Việt Nam hay dùng từ đề - một từ lai Pháp: démarrer) bằng điện cho ô tô đầu tiên ra đời năm 1896 tại Anh bởi kỹ sư điện H.J. Dowsing, gắn trên xe Arnold (một phiên bản của Benz Velo). Năm 1903, Coleman đăng ký sáng chế máy khởi động điện tại Mỹ (US Patent 745.157A). Năm 1911, Kettering cùng Leland thuộc công ty DELCO (Dayton Engineering Laboratories Company – công ty lớn chuyên cung cấp thiết bị cho ô tô) đăng ký sáng chế US số 1.150.523 máy đề điện cho ô tô. Một khía cạnh đáng lưu ý của phát minh này là với một động cơ điện kích thước nhỏ, hoạt động với điện áp và dòng cao hơn bình thường (so với khi hoạt động liên tục) có thể cung cấp đủ công để quay động cơ để nổ máy trong vài giây. Ở mức điện áp và dòng như vậy, động cơ điện này sẽ cháy nếu hoạt động liên tục trong vài phút.
Hình 2: Cấu tạo máy khởi động điện xe đời cũ
Động cơ điện vừa nêu được lắp trên Cadillac Thirty năm 1912. Máy khởi động này còn biến thành máy phát điện khi động cơ đốt trong đã nổ. Chính máy đề tích hợp 2 trong 1 (starter-generator) này sau hơn 100 năm lại được sống lại trên một số xe lai, xe máy Honda PCX...
Máy khởi động điện ra đời, tay quay khởi động dần bị xóa sổ nhưng nó vẫn còn hiện hữu trên một số xe như Citroen 2CV (1948-1990) hoặc ZIL-130 dùng để phòng trường hợp máy đề hoặc ắc quy bị hư.
Máy khởi động điện trước năm 1985 thường có động cơ điện kích thước khá lớn do được thiết kế với tốc độ thấp và truyền động trực tiếp từ bánh răng gắn trên trục của motor vào vòng răng bánh đà. Sau năm 1985, do những tiến bộ về vật liệu đã giúp các ổ bi chịu được tốc độ cao nên đa số các máy khởi động điện được thiết kế lại để làm việc ở tốc độ cao, giúp giảm kích thước của motor. Tốc độ motor càng cao đồng nghĩa với moment kéo càng nhỏ nên phải sử dụng hộp số giảm tốc trước khi kết nối bánh đà để tăng moment kéo. Nhật, Mỹ… sử dụng hộp số giảm tốc với bánh răng trung gian (idle gear) còn các xe châu Âu có khuynh hướng giảm tốc thông qua cơ cấu bánh răng hành tinh.
Trong bánh răng ăn khớp với bánh đà ngày nay, đa số máy đề sử dụng cơ cấu truyền động Bendix (mang tên người phát minh cơ cấu này: Vincent Hugo Bendix – người Mỹ) với trục rãnh xoắn và ly hợp một chiều, cho phép bánh răng Bendix tự động tách khỏi vành răng bao của bánh đà khi động cơ đã nổ máy.
Hình 3. Cơ cấu bánh răng hành tinh trong máy đề của xe Châu Âu
Nhược điểm lớn nhất của hệ thống khởi động điện tồn tại hơn 100 năm qua liên quan đến ắc quy chứ không phải motor điện. Hiện tại mặc dù công nghệ ắc quy có nhiều bước phát triển, nhất là các loại dùng cho xe điện có khối lượng nhỏ, dung lượng chứa điện khá cao nhưng vẫn chưa tìm ra loại ắc quy nào để thay thế được ắc quy axit-chì (lead-acid battery) có công suất lớn vì để khởi động động cơ đốt trong, dòng điện thường cao trên 100A (thời điểm bánh răng Bendix ăn khớp với bánh đà).
*Một ví dụ nhỏ: Ắc quy khởi động hiện nay trên xe du lịch thường có dung lượng cỡ 50A.h, chứa năng lượng rất lớn: 50Ax12Vx3600s=2,160,000J (Bỏ qua định luật Peukert khi dòng phóng tăng thì thời gian phóng giảm). Mỗi lần đề trong vòng 2s tiêu tốn năng lượng: 12Vx100Ax2s=2,400J.
Có nghĩa là ắc quy trên xe có thể đề được 900 lần! Trên thực tế chúng ta chỉ có thể đề vài chục lần và không đề tiếp được. Lý do đơn giản là khi phóng với dòng lớn, các ion SO4 bám ngay vào bề mặt các bản cực tạo ra tinh thể sulfate chì khiến các lỗ li ti trên bề mặt bản cực bị nhỏ lại làm ngăn cản quá trình thẩm thấu của acid sulfuric vào bên trong bản cực để chuyển năng lượng hóa học thành năng lượng điện. Nói cách khác, ắc quy khởi động trên xe chứa năng lượng rất lớn nhưng công suất bé.
=> Câu trả lời cho vấn đề này chắc vẫn đang chờ các bạn sinh viên!
Nguồn: Thầy Đỗ Văn Dũng
