Động cơ 101: P7 – Tỷ lệ hòa khí tối ưu

Rõ ràng, sự đốt cháy hòa khí chính là gốc rễ của công suất. Để cho đơn giản thì bác hãy tưởng tượng khối động cơ cũng như một chiếc máy bơm. Sau khi bơm không khí vào bên trong, máy phun một ít xăng, nén hỗn hợp này lại, rồi kích hoạt bugi để làm mồi lửa.

Vậy làm sao để bạn tối ưu công suất động cơ? Nếu tạm bỏ qua những thuật toán đánh lửa và phun xăng phức tạp, thì yếu tố quan trọng nhất mà bạn cần để ý chính là cái hỗn hợp không khí – xăng mà ta vừa nhắc đến. Cụ thể, bạn cần đảm bảo một tỷ lệ hòa khí tối ưu. Nhưng tỷ lệ này là bao nhiêu thì tối ưu? Mời bạn đọc tiếp bên dưới.

1. Bản chất của sự cháy

Đầu tiên hãy nói đến xăng – nhiên liệu phổ biến nhất cho động cơ ô tô. Xăng thực chất là một hỗn hợp của các chất hydrocarbon (HC) khác nhau, thu được từ quá trình khai thác, chưng cất và tổng hợp tại các trại khoan dầu mỏ. Nếu bạn còn nhớ thì trước đây sách giáo khoa Hóa Học đã cho ta biết rằng hydrocarbon cũng có nhiều loại, đơn giản nhất là ankal chỉ liên kết đơn (ví dụ C3H8), ankel có liên kết đôi (C3H6), ankyl có liên kết ba (C3H4), hay benzen có liên kết vòng (C6H6). Mỗi loại như vậy lại có thể tồn tại các cấu trúc khác nhau, thẳng hàng hoặc phân nhánh.

Nói ngắn gọn thì HC nào càng ngắn, cấu trúc và liên kết càng đơn giản thì thường tồn tại ở thể khí và dễ bị phá hủy. Ví dụ, Butan C4H10 đến -1 độ C đã sôi rồi. Ngược lại, HC nào càng dài và phức tạp thì thường ở thể lỏng hoặc rắn, khó bị phá hủy. Ví dụ, Naphtalen C10H8 phải 218 độ C mới chịu sôi. Đưa một nhiên liệu vào xi lanh mà đốt thì chắc chắn là bạn không thể chọn hai loại này được rồi. Một loại thì quá dễ cháy, mới phun vào chưa kịp kích bugi đã cháy ngay; mà có khi còn cháy luôn từ trong bình xăng rồi. Loại kia thì quá khó cháy, bugi kích cháy được một phân tử, nhiệt lượng tạo ra không đủ đốt tiếp các phân tử xung quanh. Sự cháy chấm dứt khi còn chưa nhen nhóm.

Và rồi bạn chọn Isooctane (C8H18). Với cấu trúc mạch chính 5C, và 3 nhánh –CH3, Isooctane tồn tại ở dạng chất lỏng không màu, không tan trong nước, sôi ở 99 độ C, khi cháy tỏa ra 5,461 kJ/mol nhiệt lượng. Hơi khó hình dung, nhưng tất cả những tính chất hóa học này được xem là gần hoàn hảo để trở thành một nhiên liệu để đốt. Để xăng trở nên hoàn hảo, bạn thêm vào một ít chất phụ gia nhằm tạo thêm các phẩm chất mà mình mong muốn.

Ví dụ bạn công tác ở châu Phi, nhiệt độ quanh năm cao ngất ngưởng làm cho xăng trong bình dễ bốc hơi, tạo ra các bong bóng khí trong hệ thống nhiên liệu. Để hạn chế tình trạng này, bạn pha vào một ít Octane thường (mạch thẳng), có nhiệt độ sôi 125 độ C, để cho toàn bộ hỗn hợp khó bốc hơi hơn. Tuy nhiên, nhìn chung các chất phụ gia kiểu như thế chỉ chiếm một tỷ lệ rất nhỏ, chủ yếu vẫn là Isooctane (thường khoảng 95% khối lượng).

Như vậy đốt xăng thực chất là động cơ của bạn "đốt" C8H18. Nói một cách hàn lâm thì là động cơ của bạn oxy hóa Isooctane bằng O2 có trong không khí bơm vào. Để quá trình oxy hóa này diễn ra được thì cần có xúc tác là tia lửa điện (tạo ra từ bugi) hoặc nhiệt lượng đủ lớn. Bugi không đốt cháy hết toàn bộ hòa khí, mà nó chỉ đóng vai trò là mồi lửa. Khi được kích hoạt, phân tử C8H18 gần bugi nhất sẽ bị oxy hóa, cháy và tỏa nhiệt. Nhiệt lượng từ ngọn lửa này tỏa ra được truyền tới phân từ C8H18 liền kề, cùng với O2 tiếp tục đốt phân tử này và tỏa nhiệt. Cứ như vậy, hòa khí được đốt cháy theo trình tự từ gần đến xa bugi. Bên dưới là phương trình hóa học thể hiện cho quá trình oxy hóa này.

2. AFR (Air Fuel Ratio): Tỷ lệ không khí – xăng

Ok! Bây giờ ta sẽ bàn kĩ hơn về phản ứng hóa học nêu trên. Nhớ lại thời còn đi học cấp 3, nhiều trường không đủ điều kiện cơ sở vật chất, nên việc thực hiện các thí nghiệm hóa học trở nên xa xỉ. Vì thế, mỗi một thí nghiệm được thực hiện đều rất quý giá, và các chất được sử dụng vào phản ứng cũng như vậy.

Nếu ngày xưa bạn có may mắn này, hẳn bạn sẽ rất muốn mọi phản ứng mà mình thí nghiệm đều xảy ra một cách trọn vẹn và tối ưu nhất.

Khối động cơ của bạn cũng vậy. Bên cạnh không gian hạn hẹp bên trong xi lanh thì cả không khí và xăng đều rất quý. Do đó, hẳn bạn sẽ muốn quá trình oxy hóa nêu trên xảy ra trọn vẹn, hay nói cách khác, C8H18 và O2 phản ứng hoàn toàn, tức không có phân tử nào còn dư ở cuối thì Sinh công. Ta biết rằng C8H18 có trong xăng, O2 có trong không khí. Vậy để làm được điều này, bạn cần đưa vào xi lanh một khối lượng không khí và xăng với tỷ lệ nhất định. Khi đó, động cơ của bạn sản sinh công cực đại (ứng với vòng tua máy RPM và độ mở bướm ga TP). Đại lượng này người ta gọi là tỷ lệ không khí – nhiên liệu, hay air fuel ratio, viết tắt là AFR. Ta tính được một cách chính xác giá trị AFR tối ưu như sau:

Đầu tiên, giả sử bạn sử dụng xăng RON 95 có thành phần gồm 95% Isooctane và 5% Heptan (C7H16) về khối lượng. Ta cân bằng các phương trình hóa học. Thật đơn giản!

Ta có các khối lượng mol M(C8H18) = 114, M(C7H16) = 100, M(O2) = 32. Giả sử có 1 mol C8H18 tham gia vào phản ứng này. Khi đó, đồng thời có 0.06 mol C7H16 cũng có mặt. Để oxy hóa hoàn toàn hỗn hợp hydrocarbon này, ta cần 12.5 x 1 + 11 x 0.06 = 13.16 mol O2. Khối lượng các chất tham gia phản ứng lần lượt là:

Khối lượng xăng được phun là:

Đồng thời, ta biết rằng khí oxy chiếm 20.95% thể tích không khí (tức 23.17% khối lượng không khí). Vậy khối lượng không khí cần nạp vào xi lanh là:

Ta tính được giá trị AFR tối ưu theo lý thuyết:

Như vậy, theo lý thuyết, để đốt hết 1 g xăng RON 95, bạn cần nạp vào động cơ 15.1 g không khí. Khi thay bằng xăng RON 92, giá trị này cũng không biến động nhiều. Tuy nhiên, trên thực tế, xăng không chỉ chứa hai loại HC trên mà còn rất nhiều các chất phụ gia khác, và thậm chí các chất giải phóng thêm O2 như MTBE hay cồn ethanol.

Các chất này làm giảm trị số AFR trong phép tính trên, và tạo ra tỷ lệ mới là 14.7 : 1. Đây cũng là giá trị AFR lý tưởng được sử dụng rộng rãi trong ngành xe hơi.

3. Biểu đồ đặc tính AFR

Tất nhiên, không phải khi nào động cơ của bạn cũng nạp vào được hòa khí với tỷ lệ AFR nêu trên. Lý do khách quan có thể đến từ hỏng hóc bên trong động cơ, hay điều kiện không khí hoặc xăng không tốt. Lý do chủ quan thì là ECU cố tình kiểm soát AFR tùy theo tình trạng hoạt động của xe, dựa trên nhiều yếu tố khác nhau như nhiệt độ khí nạp, áp suất khí nạp, áp suất nhiên liệu...

Khi thay đổi AFR, khối lượng không khí và xăng thay đổi. Cần nhớ rằng nhiều không khí quá hòa khí không cháy được, mà nhiều xăng quá cũng không cháy được. Chưa nói đến việc cháy tối ưu, mà để hòa khí cháy được cái đã, thì AFR phải nằm trong khoảng từ 7.5 : 1 đến 26 : 1.

Khi AFR < 14.7:1, xăng được phun vào nhiều hơn, ta nói hòa khí giàu (rich). Ngược lại, khi AFR > 14.7:1, lượng xăng được giảm bớt, ta nói hòa khí nghèo (lean). Dưới đây là bảng giá trị AFR của một động cơ mà ECU điều chỉnh dựa trên vòng tua máy RPM và momen xoắn được tạo ra.

Nhìn vào bảng trên ta nhận ra một số khu vực có các giá trị AFR khác nhau. Các hãng xe họ tạo ra những sự khác nhau này là để xe thích nghi với các điều kiện lái của người dùng. Ví dụ, khi cần đến hiệu năng, AFR có thể được làm giàu tới 10.2:1 tại vùng WOT (wide open throttle). Mục tiêu của động cơ lúc này là tạo ra momen xoắn và công suất cực đại. Ngược lại, khi xe chạy ở chế độ không tải hoặc tải thấp (vùng IDLE hoặc CRUISE), mục tiêu của động cơ là tiết kiệm nhiên liệu. Khi đó, xăng được phun ít hơn, AFR có thể bị làm nghèo đi tới 16.4:1.

Biểu đồ trên đây thể hiện mức hiệu năng và tiết kiệm nhiên liệu của động cơ tương ứng với mỗi giá trị AFR. Giữ cho tỷ lệ không khí – xăng đạt 14.7:1 sẽ cho ra khả năng vận hành lý tưởng của xe. AFR được xem là đại lượng cốt lõi tác động lên các cơ chế điều khiển của động cơ, đồng thời là mối quan tâm hàng đầu cho bạn nào đam mê hiệu chỉnh máy. Mời bạn tiếp tục đón đọc các phần tiếp theo trong series Động cơ 101 chỉ có trên Otoman.