Chu trình Atkinson trên động cơ hiện đại

Động cơ trên xe hơi là bộ phận quan trọng nhất, được hãng sản xuất đầu tư kỹ càng nhất trên xe. Hầu hết chúng ta sẽ biết nhiều đến các thuật ngữ : trục cam, trục khuỷu, turbocharger,…nhưng không phải ai cũng biết về “chu trình nhiệt động” hay “chu trình động cơ”. Bài viết này sẽ giúp chung ta có một khái niệm cơ bản, tổng quan về các chu trình động cơ như chu trình Otto, chu trình Atkinson và chu trình Miller cùng các đặc điểm khác nhau giữa chúng.

Đối với nhiều người, những chu trình này nghe khá lạ lẫm, mặc dù hàng ngày bạn vẫn đang sử dụng và tiếp xúc với chúng. Trong thời buổi các hãng chế tạo động cơ liên tục cho ra mắt những mẫu động cơ đời mới, cải tiến công nghệ hàng ngày nhằm tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu, việc nắm bắt được các chu trình nhiệt động cơ bản giúp chúng ta hình dung được các hướng cải tiến động cơ của các nhà sản xuất xe hơi.

Quá trình hoạt động của động cơ 4 kỳ: hút (a) - nén (b) - nổ (c) - xả (d)

Để tiếp tục, chúng ta hãy cùng xem lại một số kiến thức cơ bản về động cơ. Bắt đầu với sự nổ-cháy của hòa khí, quá trình này diễn ra trong một không gian kín, gọi là buồng đốt. Quá trình cháy-nổ diễn ra tức thì, mạnh mẽ và giải phóng năng lượng cực lớn. Phần buồng đốt trong động cơ chính là chi tiết quan trọng nhất. Bắt đầu kỳ nén, piston đi từ điểm chết dưới đến điểm chết trên, nén hòa khí vào buồng đốt. Quá trình này làm tăng áp suất hòa khí, từ đó làm tăng nhiệt độ của chúng. Quá trình cháy được kích thích nhờ tia lửa điện từ bu-gi, lượng hòa khí bị kích thích cháy và nổ mãnh liệt, làm cho áp suất và nhiệt độ buồng đốt tăng đột biến. Lúc này, nhờ áp suất lớn, đẩy piston từ điểm chết trên xuống điểm chết dưới, làm quay trục khuỷu và giúp xe di chuyển.

Ở đây, buồng đốt là khoảng không gian còn lại của động cơ khi piston ở điểm chết trên. Khi lấy thể tích động cơ,chia cho thể tích buồng đốt, ta được một con số, gọi là tỷ số nén. Ví dụ: 10:1, 9:1,…Khi ta lấy công của quá trình cháy/giãn nở trừ cho công tiêu tốn trong quá trình nén hòa khí, ta được công khả dụng của động cơ. Chính ở điểm này, ta có thể dễ dàng thấy được tại sao cần tối ưu công sinh ra trong quá trình cháy/giãn nở, cũng như cần làm giảm đi công thất thoát trong quá trình nén hòa khí.

Chu trình Otto

Đồ thị Nhiệt độ-Entropi (T-S) thể hiện chu trình Otto trên lý thuyết- Chu trình cấp nhiệt đẳng tích

Về cơ bản, chu trình Otto là chu trình cấp nhiệt đẳng tích. Năm 1876, động cơ hoạt động theo chu trình Otto lần đầu tiên được giới thiệu bởi cha đẻ Nicolaus August Otto. Một cách ngắn gọn, chu trình Otto không tối ưu được tỷ lệ giữa công nén và công nổ. Để tăng mức công suất trên động cơ sử dụng chu trình Otto (gọi tắt là động cơ Otto), người ta tăng tỷ số nén của động cơ đó, từ đó tăng tỷ số giản nở, đồng thời cho phép tăng lượng hòa khí đi vào xy-lanh nhờ các bộ nạp tăng áp, hoặc cũng có thể tận dụng nguồn nhiệt động cơ để sử dụng cho các mục đích khác. Động cơ “nạp, nén, nổ, xả” truyền thống được thiết kế với tiêu chí phải đảm bảo quá trình xả đủ tốt,tốn ít công đẩy khí cháy ra khỏi động cơ nhằm tiết kiệm năng lượng cho quá trình nén diễn ra hiệu quả.

Chu trình Atkinson

Đồ thị Áp suất-Thể tích (P-V) mô tả chu trình Atkinson trên lý thuyết

Chu trình Atkinson gần giống với chu trình Otto. Chu trình này được phát triển bởi James Atkinson dựa trên nguyên lý của chu trình Otto. Ở động cơ hoạt động theo chu trình Atkinson (gọi tắt là động cơ Atkinson), van nạp đóng trễ ở cuối kỳ nạp, đầu kỳ nén. Điều này khiến cho hòa khí bị đấy nhẹ ngược về đường ống nạp, làm giảm bớt lượng hòa khí vào xy-lanh, dẫn đến mức công suất sinh ra của động cơ cũng giảm theo. Mặc dù điều này làm giảm tỷ số nén của động cơ nhưng vẫn giữ nguyên được tỷ số giản nở. Điều này có nghĩa rằng động cơ sẽ tốn ít năng lượng hơn cho quá trình nén và gia tăng công sinh ra từ quá trình cháy-nổ.

Về tổng quan,điều này sẽ giúp tăng hiệu quả sử dụng nhiên liệu của động cơ, cũng như gia tăng mức công suất sinh ra trên 1L dung tích động cơ. Toyota Prius đời 2015 được trang bị động cơ hoạt động theo chu trình Atkinson (gọi tắt là động cơ Atkinson), dung tích 1.8L sản sinh công suất tối đa 98 mã lực, tương đương 54 mã lực trên 1 lít dung tích động cơ. Chiếc Chevrolet Cruze đời 2015 cũng sử dụng động cơ 1.8L, hoạt động theo chu trình Otto, sản sinh công suất tối đa 138 mã lực, tương đương 76,67 mã lực trên 1 lít dung tích động cơ.

Việc sản sinh ra mức công suất ít hơn, đặc biệt ở dải tốc độ vòng tua thấp, khiến cho việc phổ biến động cơ Atkinson trở nên khá khó khăn. Tuy nhiên, điều đặc biệt đã diễn ra khi mẫu Prius đời 1997 được giới thiệu trên hệ thống động lực Hybrid Synergy mới. Nhờ có động cơ điện hỗ trợ, hệ thống đã khắc phục được nhược điểm của động cơ Atkinson ở dãy tốc độ thấp. Kể từ lúc này, động cơ hoạt động với chu trình Atkinson dần trở nên phổ biến trên các xe Hybrid đời mới.

Chu trình Miller

Năm 1957, Ralph Miller mang đến cho Thế Giới động cơ hoạt động theo chu trình nhiệt động mới của mình – chu trình Miller. Về cơ bản, động cơ hoạt động theo chu trình Miller gần giống với động cơ theo chu trình Atkinson, nhưng nó có sử thêm một bộ siêu nạp supercharger để tăng lượng hòa khí vào xy-lanh để khắc phục các nhược điểm trên động cơ Atkinson. Được áp dụng trên một số ít mẫu động cơ, như Mazda Millenia được trang bị động cơ Miller V6, tạo ra công suất tối đa 91 mã lực trên 1L dung tích động cơ. Đây có thể xem là một thành tựu giữa những năm 1990.

Nhờ sự cố gắng sử dụng hiệu quả nguồn nhiên liệu, các động cơ độc đáo liên tục ra đời nhằm phục vụ nhu cầu của con người. Cho dù trong tương lai, tên tuổi của các kỹ sư trên chỉ còn lưu trong các trang sử, nhưng chúng ta sẽ mãi luôn trân trọng những công hiến của những kỹ sư vào nền kỹ thuật thế giới cũng như nền công nghiệp xe ô tô.

Theo Cheetsheet