So sánh các chu trình nhiệt động lực học áp dụng trên động cơ đốt trong

Các bạn chắc sẽ thắc mắc vậy chu trình Atkinson cũng đâu có cải tiến gì đáng kể so với chu trình Otto đâu. Vì đơn giản nó chỉ tính toán giảm lượng nhiên liệu nạp đầu vào để ép tăng hiệu suất của chu trình Otto lên mức tối đa mà thôi. Hiểu 1 cách đơn giản thì đúng là như vậy. Tuy nhiên, đôi khi cần phải xét đến mục đích mà các nhà sản xuất muốn đạt tới. Nếu họ hướng tới 1 mẫu động cơ đốt trong siêu tiết kiệm nhiên liệu, công suất vừa phải thì chu trình Atkinson là 1 lựa chọn cần phải xem xét.

So sánh các chu trình nhiệt động lực học áp dụng trên động cơ đốt trong

Khi nghiên cứu và tìm hiểu về động cơ đốt trong, chắc hẳn các bạn đã từng nghe nói hoặc đọc qua về các chu trình nhiệt động học như Carnot, Otto, Atkinson hay Diesel. Vậy đã bao giờ các bạn đặt câu hỏi về vai trò của các chu trình này đối với động cơ đốt trong ? Đâu là sự khác nhau giữa mỗi chu trình trên ?

Thiết nghĩ việc giải đáp những câu hỏi trên có thể giúp các bạn hiểu rõ hơn về hoạt động của động cơ đốt trong, Từ điển xe mời các bạn tham khảo bài phân tích dưới đây về các chu trình nhiệt động học phổ biến được sử dụng trong chế tạo động cơ đốt trong cho ôtô.

Điểm đầu tiên cần phải khẳng định đó chính là việc lựa chọn chu trình nhiệt động học ảnh hưởng đến toàn bộ quá trình còn lại của việc thiết kế động cơ (cấu trúc động cơ, hình dáng trục cam, buồng đốt, thời điểm đóng/mở van, v.v…). Toàn bộ các chi tiết của động cơ có nhiệm vụ đảm bảo cho hoạt động của động cơ diễn ra giống với chu trình nhiệt động học được lựa chọn nhất. Qua đó phần nào chúng ta thấy được tầm quan trọng của chu trình nhiệt động học đối với 1 động cơ đốt trong.

Sau đây, chúng ta sẽ đi vào tìm hiểu các chu trình phổ biến nhất. Hãy bắt đầu bằng chu trình cơ bản nhất, hoàn hảo nhất của nhiệt động học , đó chính là chu trình Carnot.

Chu trình Carnot

Chu trình nhiệt động học Carnot được đưa ra bởi Nicolas Carnot vào năm 1824 và được kế thừa và hoàn chỉnh bởi các nhà khoa học khác đến tận những năm 1840.

Chu trình Carnot đã được chứng minh là chu trình dành cho các máy động cơ nhiệt hay máy lạnh có hiệu năng tốt nhất.
1 chu trình Carnot hoàn chỉnh bao gồm các bước sau :
– Giãn nở đẳng nhiệt của khi tại nhiệt độ cao
– Giãn nở đoạn nhiệt của khi
– Nén đẳng nhiệt của khí tại nhiệt độ thấp
– Nén đoạn nhiệt của khí

Chu trình Carnot vốn dĩ đạt được 1 hiệu suất rất cao là do nó là 1 chu trình thuận nghịch, mỗi bước trong chu trình là 1 biến đổi thuận nghịch ( đi từ A đến B không khác khi đi từ B đến A). Điều này cho phép chu trình Carnot đạt hiệu suất lý thuyết có thể lên tới 90%. Và định lý Carnot đã nói rằng không một động cơ nhiệt nào có thể đạt hiệu suất cao hơn khi hoạt động với chu trình Carnot ở cùng một điều kiện.

Biểu đồ đầu tiên biểu diễn công sinh ra và lượng nhiệt trao đổi với 2 nguồn nóng lạnh của 1 chu trình nhiệt động học bất kỳ.

Ta có :

Lượng nhiệt trao đổi với nguồn lạnh là toàn bộ diện tích giới hạn màu hồng
Công sinh ra khi hoàn thành chu trình là diện tích giới hạn màu trắng W = QH – QC
Lượng nhiệt nhận vào từ nguồn nòng là toàn bộ diện tích tổng của màu trắng và màu hồng
Hiệu suất của chu trình trên là tỉ số giữa W và QH, theo đó r = W/QH

Qua hình trên chúng ta có thể thấy, để đạt được hiếu suất r max, diện tích giới hạn màu hồng phải đạt max. Và điều đó chỉ có thể đạt được trong trường hợp của hình bên dưới đây :

Đây là diện tích lớn nhất có thể đạt được của công sinh ra trong 1 chu trình nhiệt động học. Và chu trình đấy cũng chính là chu trình Carnot.

Tóm lại, chu trình nhiệt động học Carnot là 1 chu trình biến đổi “gần như” hoàn hảo. Cũng chính vì sự hoàn hảo này mà việc đưa chu trình Carnot vào ứng dụng thực tế trở nên phi thực tế. Các kỹ sư gặp quá nhiều khó khăn trong việc đưa chu trình Carnot vào áp dụng trên các mẫu động cơ đốt trong trong thực tế vì những đòi hỏi khắt khe của chu trình này nhằm đảm bảo tính thuận nghịch của nó

Tuy vậy, dựa trên chu trình Carnot, các nhà nghiên cứu đã tìm ra những chu trình biển đổi nhiệt động học khác tuy không hiệu quả cao bằng nhưng dễ dàng áp dụng trong thực tế hơn. Chúng ta có thể kể ra một số như chu trình Otto, chu trình Atkinson hay chu trình Diesel.

Chu trình Otto

Chu trình Otto có lẽ là chu trình phổ biến nhất trong việc chế tạo động cơ đốt trong trong công nghiệp ôtô.
Điểm khác biệt rõ ràng nhất của chu trình Otto so với chu trình Carnot đấy chính là tính thuận nghịch (thực ra ngoài chu trình Carnot ra thì các chu trình khác đều không có tính chất này). Chu trình Otto không phải là 1 chu trình có tính thuận nghịch, yếu tố môi trường thay đổi liên tục trong quá trình diễn ra chu trình này.

Chu trình Otto bao gồm các bước sau :

1 – 2 : Nạp hỗn hợp chế hoà khí
2 – 3 : Nén hỗn hợp chế hoà khí
3 – 4 : Quá trình kích hoả và cháy diễn ra ở điều kiện đẳng tích (Thể tích không đổi, nhiệt độ tăng nên áp suất tăng)
4 – 5 : Quá trình đoạn nhiệt sinh công (piston chuyển động xuống làm quay trục cam)
5 – 6 : Quá trình trao đổi nhiệt với môi trường ngoài ở điều kiện đẳng tích (Thể tích không đổi, nhiệt độ giảm nên áp suất giảm)
6 – 1 : Quá trình xả hỗn hợp khí thải

Công sinh ra trong chu trình Otto chính là diện tích được giới hạn bởi các điểm 2 – 3 – 4 – 5 – 6

Chu trình Otto tiêu biểu cho chu trình nhiệt động học mô tả hoạt động của các động cơ xăng (kích hoả bằng bugi).Chu trình Diesel về cơ bản giống đến 90% chu trình Otto. Đây là chu trình tiêu biểu cho hoạt động của động cơ Diesel. Do đó, 10% khác biệt giữa 2 chu trình cũng có liên hệ trực tiếp với sự khác biệt giữa động cơ Diesel và động cơ xăng.

Về cơ bản, chúng ta biết rằng động cơ Diesel không bắt buộc phải có bugi kích hoả. Hỗn hợp chế hoà khí tự động nổ khi đạt áp suất tới hạn. Do đó, ở chu trình Diesel, công đoạn ở thì nổ không diễn ra ở điều kiện đằng tích mà diễn ra ở điều kiện đẳng áp, khi áp suất trong buồng xi-lanh đạt tới áp suất tới hạn. Khi đó, nhiên liệu sẽ được phun trực tiếp vào thẳng buồng đốt và dưới áp suất tới hạn sẽ phát nổ, đấy píttông đi xuống do đó thể tích tăng.

Chu trình Atkinson về cơ bản có cùng nguyên lý hoạt động như chu trình Otto. Các động cơ đốt trong vận hành theo chu trình Atkinson cũng tuân thủ 4 thì : nạp – nén – nổ – xả như với chu trình Otto.

Tuy vậy, sự khác biệt lớn nằm ở thời gian kéo dài của mỗi thì. Ở chu trình Atkinson, thì nạp được cố ý rút ngắn hơn so với thì nổ. Cụ thể pittông thay vì di chuyển hết tầm trong thì nạp thì chỉ di chuyển 1 quãng nhỏ hơn, do đó lượng chế hoà khí nạp vào cũng giảm. Lượng chế hoà khí giảm dẫn tới áp suất tới hạn trong thì nén cũng nhỏ hơn áp suất tới hạn thông thường. Trong khi đó, ở thì nổ, píttông lại được cho phép di chuyển hết tầm nhằm tận dụng tối đa công sinh ra trong quá trình nổ qua đó nâng cao hiệu suất của động cơ và giảm nhiên liệu tiêu thụ. Sau đó, thì xả diễn ra như với chu trình Otto bình thường.

Ngoài ra, cấu tạo cơ khí của trục cam cho phép động cơ chạy chu trình Atkinson có thể thực hiện 4 thì trong chỉ 1 vòng quay thì vì 2 như với chu trình Otto. Đây là sự thay đổi nhằm tránh những lý do về bản quyền sáng chế của Nicolas Otto.

Các bạn chắc sẽ thắc mắc vậy chu trình Atkinson cũng đâu có cải tiến gì đáng kể so với chu trình Otto đâu. Vì đơn giản nó chỉ tính toán giảm lượng nhiên liệu nạp đầu vào để ép tăng hiệu suất của chu trình Otto lên mức tối đa mà thôi. Hiểu 1 cách đơn giản thì đúng là như vậy. Tuy nhiên, đôi khi cần phải xét đến mục đích mà các nhà sản xuất muốn đạt tới. Nếu họ hướng tới 1 mẫu động cơ đốt trong siêu tiết kiệm nhiên liệu, công suất vừa phải thì chu trình Atkinson là 1 lựa chọn cần phải xem xét.

Điểm yếu của chu trình Atkinson chính là công suất. Việc nạp ít nhiên liệu hơn, áp suất tới hạn nhỏ hơn sẽ kéo theo công suất sinh ra thấp hơn so với chu trình Otto.

Mặt khác, cấu trúc cơ khí cũng là 1 trong những điểm yếu của các động cơ sử dụng chu trình Atkinson. Cấu trúc cơ khí phức tạp hơn, nhiều chi tiết hơn. Tuy nhiên, điểm yếu này đã được phần nào khắc phục với những bước tiến về công nghệ chế tạo động cơ ngày nay. Có thể lấy ví dụ, để thay đổi thời gian kéo dài của từng thì, công nghệ van linh hoạt (Variable Valve Timing) có thể được áp dụng. Hay như việc sự dụng công nghệ Double Overhead Cam cho phép kiểm soát độ đóng mở của van xả và van nạp linh hoạt hơn. Tuy vậy, trong các mẫu động cơ sử dụng chu trình Atkinson thế hệ mới, công suất truyền tải vẫn là 1 điểm yếu cố hữu.

Nhưng, sự phát triển của công nghệ xe lai (HEV – PHEV) ngày nay đang mở ra một hướng đi mới cho những động cơ phát triển trên nền tảng chu trình Atkinson. Có thể coi động cơ Atkinson là miếng ghép hoàn hảo cho công nghệ xe lai chạy điện. Bởi lẽ với tính năng chính là tiết kiệm nhiên liệu, giảm lượng khí thải, động cơ chu trình Atkinson hoàn toàn phù hợp với mục tiêu mà xe lại muốn hướng tới.

Ở chiều ngược lại, việc kết hợp với động cơ điện cũng giúp giải quyết bài toán công suất của động cơ Atkinson. Cụ thể, ở dải vận tốc thấp, cần có công suất lớn, động cơ điện với khả năng truyền tải công suất lớn trong thời gian ngắn sẽ phụ trách cung cấp lượng công suất này. Ở 1 dải vận tốc cao hơn, khi công suất yêu cầu giảm, động cơ Atkinson sẽ được đưa vào thế chỗ động cơ điện, lúc này đóng vai trò hộ trỡ nhiều hơn.

Đó chính là lý do mà hiện này, rất nhiều hãng xe lựa chọn chu trình Atkinson cho các dòng xe lai của mình : tiêu biểu trong số đó là Toyota Prius.