Chu trình Atkinson - chìa khoá giúp ôtô tiết kiệm nhiên liệu
Chu trình Atkinson ra đời để giúp động cơ xăng Otto thuần tuý bớt tiêu thụ nhiên liệu, nhưng cần có các cơ cấu khác để bù đắp công suất.
Năm 1864, kỹ sư người Đức Nikolaus Otto sáng chế ra động cơ đốt trong 4 kỳ đầu tiên trên thế giới. Kể từ đó, nguyên lý hoạt động của những chiếc xe chạy bằng nhiên liệu hóa thạch không thay đổi: piston di chuyển trong lòng xi-lanh truyền động năng xuống trục khuỷu rồi thông qua các liên kết với hộp số giúp bánh xe quay.
Tuy nhiên sau đó không lâu, từ năm 1882, một kỹ sư người Anh có tên James Atkinson đã nhận ra nhược điểm trong động cơ của Otto. Atkinson thấy rằng trong 4 kỳ chỉ có kỳ nổ tạo ra công có ích truyền sức mạnh cho động cơ, 3 kỳ còn lại hoàn toàn chỉ hấp thu động năng, và lãng phí năng lượng nhiều nhất ở kỳ nén. Ý tưởng giải quyết vấn đề của ông là giảm thiểu tiêu hao công lãng phí ở kỳ nạp – nén và gia tăng công có ích ở kỳ nổ – xả. Từ đó Atkinson lập luận rằng, bằng cách nào đó nếu ông có thể làm giảm được hành trình nén và tăng hành trình nổ lên thì động cơ sẽ đạt hiệu suất tối ưu hơn, từ đó xe tiết kiệm được nhiên liệu.
Thực tế Atkinson đã chế tạo thành công nguyên mẫu cho ý tưởng của mình, nhưng động cơ đó lại quá cồng kềnh, gần như không thể ứng dụng vào thực tế lúc bấy giờ.
Động cơ EXlink của Honda theo chu trình Atkinson, có điểm chết dưới cao hơn so với động cơ Otto thông thường.
Suốt hơn một thế kỷ, động cơ theo lý thuyết chu trình Atkinson thách thức các hãng xe. Về cơ bản, nó vẫn hoạt động trên nguyên lý của động cơ Otto, nhưng cần tìm ra phương pháp giải quyết vấn đề cho mục đích “giảm nén – tăng giãn nở” trong lòng xi-lanh.
Năm 2011, Honda trình làng thế hệ động cơ Exlink dựa trên lý thuyết ban đầu của Atkinson. Piston của các động cơ 4 kỳ thông thường theo chu trình Otto có quãng đường di chuyển bằng nhau ở các kỳ nạp, nén, nổ, xả. Bên trong Exlink có một sự khác biệt. Ở kỳ nổ-xả, piston có quãng đường di chuyển dài hơn kỳ nạp-nén. Điều này dẫn tới thể tích giãn nổ lớn hơn thể tích hút nén, nghĩa là công có ích được sinh ra nhiều hơn công hao phí và xe giảm được tiêu hao nhiên liệu.
Để tạo ra khác biệt về quãng đường di chuyển, các kỹ sư Honda kết nối thanh truyền của pit tông với 3 bộ phận cơ khí khác bao gồm: thanh truyền tam giác thứ cấp (trigonal link), thanh lúc lắc (swing rod) và trục lệch tâm (eccentric shaft). Hiểu theo cách nôm na, động cơ EXlink có hai điểm chết dưới (ĐCD) của piston. Ở kỳ nạp – nén, ĐCD sẽ ở vị trí cao hơn ĐCD ở kỳ nổ – xả. Theo tính toán của Honda, thay đổi này giúp thể tích giãn nở gấp 1,4 lần thể tích nạp nén.
Cách của Honda thuần về cơ cấu cơ khí, một số hãng khác đưa ra phương pháp bằng cách điểu khiển thời gian đóng mở các van (xu-páp). Khi piston di chuyển tới cuối kì nạp và bắt đầu kì nén, van nạp sẽ được đóng muộn hơn so với thông thường. Khi đó một lượng hòa khí sẽ bị đẩy ngược lại ra khỏi xi-lanh, dẫn tới công suất động cơ giảm theo. Hy sinh công suất nhưng đổi lại được lợi về mặt hiệu suất. Khi van nạp đóng trễ, tỉ số nén sẽ giảm bớt so với thông thường, nghĩa là thể tích giãn nở lớn hơn thể tích nạp nén. Lúc này động cơ sinh ra công có ích nhiều hơn công hao phí. Nhưng tác động này sẽ dẫn tới việc động cơ có xu hướng yếu đi, đặc biệt ở tua máy thấp. Để bù đắp cho phần công suất thiếu hụt, thời gian đầu các hãng xe thường kết hợp chu trình Atkinson với động cơ điện bổ trợ, một số khác sử dụng hệ thống tăng áp.
Đóng van xả muộn là một cách để hiện thực chu trìnhAtkinson. Ảnh: Toyota
Với cấu hình Atkinson lai điện, dễ dàng bắt gặp nhất ví dụ như các mẫu hybrid của Toyota, khởi nguồn từ chiếc Prius năm 1997 hay như dòng Outlander PHEV của Mitsubishi. Ở cả hai dòng động cơ này, các kỹ sư cho phép chúng chuyển đổi linh hoạt giữa chu trình Atkinson và chu trình Otto thông thường. Ở tua thấp, Atkinson được kích hoạt, động cơ điện sẽ hỗ trợ để bù đắp công suất đảm bảo chiếc xe linh hoạt và sẵn sàng bứt tốc. Khi lên tua máy cao và cần tải nặng, động cơ sẽ chuyển sang chu trình Otto thông thường bằng cách điều khiển thời gian đóng mở các van thông qua ECU.
Đối với động cơ Atkinson kết hợp tăng áp, hãng xe Việt VinFast đang theo đuổi cấu hình này trên các dòng Lux A và Lux SA. Động cơ gốc mà VinFast mua công nghệ BMW thực tế dùng công nghệ Valvetronic nhưng rất phức tạp và khó sửa chữa với điều tại Việt Nam. Bởi lý do này, VinFast nhờ AVL của Áo hỗ trợ để phát triển chu trình Atkinson thay cho Valvetronic.
Thực tế cho thấy, các động cơ sử dụng chu trình Atkinson phổ biến nhất trên các dòng xe hybrid bởi chúng thiên về tiết kiệm nhiên liệu. Việc cân bằng giữa hiệu suất và công suất đôi khi còn phụ thuộc rất nhiều vào thói quen của người lái. Cách dễ nhất để giảm chi phí trên hóa đơn nhiên liệu là bạn cứ nhẹ nhàng và đều chân ga nếu không có gì gấp.
Thái Hoàng
Nhận xét
Đăng nhận xét