Thông số ô tô (Phần 1): Động cơ, mô-men, công suất

Xét về các thông số kỹ thuật quan trọng nhất của động cơ, nổi bật nhất chính là bộ ba: dung tích xi-lanh, mô-men xoắn cực đại và công suất cực đại. Hiểu rõ ý nghĩa của những con số này sẽ giúp người mua xe đánh giá đúng khả năng vận hành thực tế của một chiếc ô tô, thay vì chỉ nhìn vào thông số bề nổi.

Một chiếc xe về cơ bản có rất nhiều thông số kỹ thuật: kích thước, động cơ, hộp số, dẫn động, trang bị an toàn… Trong phần đầu của loạt bài này, chúng ta sẽ tìm hiểu ý nghĩa và công dụng của các thông số liên quan đến động cơ ô tô.

Dung tích xi-lanh là gì?

Dung tích xi-lanh, hay thường được biết đến như số “chấm” của ô tô (1.0, 1.5, 2.0…), là phần thể tích xi-lanh được quét bởi pít-tông khi di chuyển từ điểm chết trên đến điểm chết dưới của động cơ. Dung tích xi-lanh được quy ước không bao gồm phần thể tích phía trên điểm chết trên (thể tích buồng đốt).

Đối với động cơ 1 xi-lanh, dung tích động cơ cũng chính là dung tích xi-lanh đó. Còn với động cơ nhiều xi-lanh, dung tích động cơ là tổng dung tích của tất cả các xi-lanh cộng lại. Đơn vị dung tích ô tô thường dùng là lít (L), còn xe máy thường dùng cc hay phân khối (cm³); quy đổi 1L = 1.000cc.

Thông thường, dung tích xi-lanh cho biết về độ lớn của động cơ. Dung tích càng lớn thì xi-lanh càng nạp được nhiều hỗn hợp không khí – nhiên liệu, năng lượng sinh ra trong quá trình cháy càng lớn, động cơ càng khỏe nhưng cũng tiêu tốn nhiều nhiên liệu hơn.

Tuy nhiên, điều này chỉ đúng khi so sánh các động cơ ở trình độ công nghệ tương đương nhau. Với động cơ đốt trong hiện đại, dung tích xi-lanh đang dần mất vai trò quyết định duy nhất tới sức mạnh, bởi các công nghệ như turbo tăng áp, phun nhiên liệu trực tiếp hay hệ thống điều khiển cam thông minh cũng ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất động cơ.

Ford EcoBoost là một ví dụ điển hình: phiên bản dung tích chỉ 1,0 lít nhưng công suất cực đại tạo ra có thể lên tới 123 mã lực ở bản dùng cho thị trường Bắc Mỹ, nhờ turbo tăng áp. Trong khi đó, Mitsubishi Mirage dùng động cơ hút khí tự nhiên dung tích 1,2 lít lại chỉ cho công suất khoảng 78 mã lực. Vì vậy, người mua xe trong tương lai sẽ ngày càng quan tâm nhiều hơn đến công nghệ và sức mạnh thực tế của động cơ, thay vì chỉ nhìn vào con số dung tích xi-lanh.

Các kết cấu xi-lanh phổ biến trên ô tô

Tùy theo cách sắp xếp xi-lanh, động cơ đốt trong trên ô tô hiện nay chủ yếu chia thành ba kết cấu chính:

Động cơ thẳng hàng

Đây là kết cấu phổ biến nhất, với các xi-lanh được xếp song song thành một hàng dọc bên trục khuỷu. Thông dụng nhất là loại I4 (4 xi-lanh thẳng hàng), ngoài ra còn có I6 và một số ít trường hợp I8.

Ưu điểm: loại bỏ nhiều thành phần cân bằng, giảm độ phức tạp khi sản xuất, dễ bảo dưỡng sửa chữa, tiết kiệm nhiên liệu.

Nhược điểm: có độ rung nhất định ở một số dải vòng tua nhất định; không thể xếp quá nhiều xi-lanh vào một hàng vì sẽ khiến khối động cơ quá dài, cồng kềnh.

Động cơ hình chữ V

Động cơ được xếp thành 2 hàng xi-lanh bằng nhau đặt lệch góc quanh trục khuỷu, tạo thành hình chữ V. Cấu hình phổ biến trải dài từ V6, V8, V10 đến V12 – đây cũng là cấu hình chữ V nhiều xi-lanh nhất từng được sản xuất đại trà. Một số ít hãng siêu sang còn phát triển cấu hình chữ W (gộp hai dãy chữ V lại với nhau) để đạt số xi-lanh lớn hơn, như W12 hay W16.

Ưu điểm: gọn gàng hơn so với thẳng hàng khi có cùng số xi-lanh, cân bằng tốt, cho sức mạnh lớn, thường được áp dụng trên các dòng xe cao cấp.

Hạn chế: kết cấu phức tạp hơn, chi phí sản xuất và bảo dưỡng cao hơn.

Động cơ Boxer

Thiết kế xi-lanh chia thành 2 khối nằm đối diện nhau qua trục khuỷu. Pít-tông sẽ di chuyển theo phương ngang, trái qua phải, thay vì lên xuống như các kết cấu khác – vì vậy động cơ Boxer còn được ví như động cơ chữ V với góc mở 180°.

Ưu điểm: thiết kế “bẹt” giúp động cơ có trọng tâm thấp, xe cân bằng hơn; hệ thống truyền động vận hành mượt mà; diện tích tiếp xúc lớn giúp làm mát hiệu quả hơn.

Hạn chế: đòi hỏi khoang máy rộng hơn; việc bảo dưỡng, thay thế phức tạp hơn nên chủ yếu chỉ xuất hiện trên một số dòng xe nhất định (tiêu biểu là Subaru và một số mẫu Porsche).

Mô-men xoắn cực đại là gì?

Mô-men xoắn là lực sinh ra khi một vật thể quay quanh trục. Trong động cơ ô tô, mô-men xoắn được tạo ra từ quá trình đốt cháy hỗn hợp không khí – nhiên liệu, làm quay trục khuỷu. Đơn vị thường dùng trong hệ SI là Nm – tỷ lệ thuận với độ lớn lực tác động (Newton) và độ dài cánh tay đòn (mét).

Về cơ bản, mô-men xoắn chính là lực xoay của trục khuỷu, và xa hơn là lực xoay của bánh xe. Xe có mô-men xoắn càng lớn thì lực kéo càng mạnh, khả năng chở nặng hay leo dốc càng tốt, độ “bốc” càng cao. Giá trị mô-men xoắn phụ thuộc vào tốc độ vòng tua máy, và đạt cực đại tại một dải tua nhất định theo thiết kế của nhà sản xuất. Với động cơ xăng, mô-men xoắn cực đại thường chỉ xuất hiện ở một vị trí vòng tua; còn động cơ diesel thường đạt cực đại trải dài trên một dải vòng tua rộng hơn.

Động cơ đốt trong thường chỉ sinh ra mô-men xoắn hữu ích trong một khoảng vòng tua nhất định (phổ biến khoảng 1.000 – 6.000 vòng/phút với xe hạng nhỏ). Trên xe dùng hộp số tay, mô-men xoắn được truyền tới hộp số qua bộ ly hợp; còn xe dùng hộp số tự động truyền qua hộp biến mô (torque converter).

Công suất cực đại là gì?

Về lý thuyết, công suất là công thực hiện được trong một đơn vị thời gian. Trong động cơ đốt trong, công suất thể hiện khả năng sinh công nhanh hay chậm của động cơ, chứ không đại diện cho “sức mạnh” kéo như mô-men xoắn. Đơn vị thường dùng cho công suất động cơ ô tô là mã lực.

Công suất lớn hay nhỏ quyết định độ nhanh chậm khi tăng tốc của một chiếc xe. Do tỷ số nén lớn và tốc độ cháy chậm hơn, động cơ diesel thường tăng vòng tua chậm hơn động cơ xăng. Ngược lại, động cơ xăng có thể tăng vòng tua từ 1.000 lên hơn 6.000 vòng/phút trong thời gian ngắn, giúp xe tăng tốc nhanh và dễ đạt tốc độ tối đa cao hơn. Tuy nhiên, hai xe cùng công suất chưa chắc đã đạt cùng tốc độ tối đa, do còn phụ thuộc vào trọng lượng, lực cản khí động học và nhiều yếu tố khác.

Trên thực tế, công suất cực đại các nhà sản xuất công bố thường không phải công suất thực tế đến bánh xe, do có sự hao hụt qua hệ thống truyền động (khoảng 10-25% tùy từng loại xe).

Mối quan hệ giữa các thông số kỹ thuật động cơ

Khi thiết kế một động cơ, các kỹ sư phải cân đối và ưu tiên giữa công suất và mô-men xoắn tùy theo mục đích sử dụng. Với hai động cơ cùng dung tích xi-lanh, động cơ xăng thường cho công suất cực đại lớn hơn động cơ diesel, còn động cơ diesel lại cho mô-men xoắn lớn hơn. Đây là lý do xe tải, xe off-road thường dùng động cơ diesel, trong khi các dòng xe con thông thường ưu tiên động cơ xăng.

Công suất và mô-men xoắn đều biến thiên liên tục trong dải vòng tua hoạt động của động cơ. Một động cơ được đánh giá tốt cần hội tụ các yếu tố:

• Công suất cực đại lớn – giúp xe đạt tốc độ tối đa cao hơn
• Mô-men xoắn cực đại lớn – giúp xe tải nặng, lực kéo mạnh, tăng tốc nhanh
• Mô-men xoắn đạt cực đại ở vòng tua thấp – giúp tăng tốc nhanh, tải nặng tức thời và tiết kiệm nhiên liệu
• Mô-men xoắn đạt cực đại trên một dải vòng tua rộng – kéo dài khả năng tải nặng và tăng tốc trong nhiều điều kiện vận hành

Liên kết tham khảo: Các thông số kỹ thuật trên ô tô (Phần 2): Kích thước và hộp số.