Động cơ 101: P4 – Suất tiêu hao nhiên liệu

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, Otoman sẽ giới thiệu đôi nét căn bản về khái niệm thú vị này.

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 là tốc độ dòng khối lượng (mass flow rate), là công suất, và là 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.

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.

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%.

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) , đo bằng lượng năng lượng có trong 1 g nhiên liệu, đơn vị kWh/g. Cụ thể:

và .

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:

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 (1), để tính được giá trị của BSFC, ta cần tính tốc độ dòng khối lượng và công suất P. Dàn dyno cho ta kết quả đo theo bảng sau.

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

Kết hợp với kết quả đo công suất trong phần trước và (1), 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.

Và khi biểu diễn dưới 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.

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 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.

3. Biểu đồ hiệu năng nhiệt (tham khảo)

Như ta đã đề cập ở trên, hiệu năng nhiệt được tính bởi BSFC và LHV. Tại các trạng thái hoạt động khác nhau, BSFC khác nhau, và do vậy  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% trong bài viết này, 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) với điều kiện sử dụng nhiên liệu là xăng thường, ta tính được bảng giá trị sau cho động cơ trong ví dụ:

Và biểu thị 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 Otoman 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 bạn 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 trên Otoman nhé.