Những năm gần đây, việc các mẫu xe hybrid được trang bị bổ sung yếu tố điện khí hóa bên cạnh động cơ đốt trong truyền thống xuất hiện ngày càng nhiều đã làm cho một số khái niệm kỹ thuật chuyên sâu bỗng trở nên phổ biến hơn trong văn hóa đại chúng. Một trong số đó là chu trình nhiệt động lực học mô tả quá trình tạo ra năng lượng từ việc đốt cháy trong chu kỳ hoạt động của loại động cơ đốt trong 4 kỳ, mà tiêu biểu là các chu trình Otto, Atkinson và Miller.
Hầu hết các động cơ cháy cưỡng bức ra đời kể từ buổi bình minh của ngành công nghiệp ô tô đều sử dụng chu trình nhiệt động lực học bốn kỳ được phát triển vào cuối thế kỷ 19 bởi một kỹ sư người Đức có tên Nicolaus Otto (1832–1891). Nhưng trong những năm gần đây, một phiên bản sửa đổi của chu trình Otto này đã trở nên phổ biến hơn.
Thường được gọi là chu trình Atkinson, nó đã được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các loại xe hybrid lai xăng-điện của nhiều nhà sản xuất khác nhau. Bên cạnh đó, trong thế giới động cơ đốt trong còn có tồn tại một chu trình khác nữa được gọi là chu trình Miller, từng có thời điểm được ứng dụng trên các mẫu xe thể thao vận hành năng động, nhưng hiện nay không còn phổ biến.
Vậy sự khác biệt giữa 3 chu trình này là gì?
Chu trình Otto
Nguồn gốc của các loại động cơ được dùng trên ô tô ngày nay có thể được truy về khối động cơ Otto, được phát minh vào thế kỷ 19. Tại thời điểm đó, mặc dù kỹ sư Otto không phải là người đầu tiên đăng ký bản quyền phát minh động cơ 4 kỳ, nhưng ông đã làm ra được một khối động cơ đốt trong xy-lanh đơn cố định hoàn chỉnh đầu tiên vào năm 1876, vận hành bình thường theo đúng thiết kế và có thể được sản xuất hàng loạt.
Động cơ Otto là một thiết bị mang tính chất đi trước thời đại hàng thập kỷ, dựa vào cơ chế nạp hút không khí và đốt cháy nhiên liệu bên trong để tạo ra công năng thông qua lực nén, từ đó không đòi hỏi loài người phải mất công dùng roi quất ngựa để kéo xe di chuyển nữa. Toàn bộ quá trình này cần các bộ phận như sau:
- Xy-lanh: đặt trong thân động cơ, kết hợp cùng nắp xy-lanh và đỉnh piston tạo nên buồng đốt trong động cơ đốt trong.
- Piston: Có hình dáng trụ ngắn, nằm bên trong xy-lanh, có cấu tạo gồm đỉnh, thân và chốt piston. Piston kết hợp cùng xy-lanh tạo nên buồng đốt trong động cơ. Đồng thời, bộ phận này còn chuyển động tịnh tiến trong xy-lanh, tiếp nhận công năng được tạo nên từ quá trình đốt cháy nhiên liệu, qua thanh truyền và chốt piston truyền đến trục khuỷu.
- Thanh truyền (còn được gọi là tay biên): Là bộ phận nối liền piston và trục khuỷu. Nhiệm vụ của thanh truyền là truyền lực tác động và biến đổi chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động tròn của trục khuỷu.
- Trục khuỷu: Trục khuỷu có chức năng biến đổi chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay.
Động cơ Otto được gọi là “động cơ 4 kỳ” vì cách thức hoạt động xoay quanh 4 hành trình của piston. Ở đây, hành trình hay kỳ được định nghĩa là một quá trình trong đó piston của xy-lanh di chuyển lên điểm tận cùng ở phía trên (điểm chết trên) hoặc xuống điểm tận cùng ở phía dưới (điểm chết dưới) của động cơ.
- Kỳ nạp (còn được gọi là kỳ hút): Ở kỳ làm việc này, van nạp sẽ được mở ra và van xả sẽ đóng lại. Piston chuyển động giúp nạp hỗn hợp không khí và nhiên liệu vào xy-lanh. Quá trình nạp này bắt đầu khi piston ở vị trí điểm chết trên và kết thúc khi piston ở vị trí điểm chết dưới.
- Kỳ nén: Ở chu kỳ này, cả hai van nạp, xả đóng, piston thực hiện việc nén hỗn hợp khí và nhiên liệu trong xy-lanh. Ở cuối kỳ nén, khi piston chuyển động đến điểm chết trên, hỗn hợp trên sẽ được đốt cháy bởi bộ phận đánh lửa (bugi) đối với động cơ xăng hoặc sẽ tự đốt cháy đối với động cơ diesel.
- Kỳ nổ (còn được gọi là kỳ đốt và sinh công): Ở chu kỳ làm việc này, hai van nạp và xả vẫn đóng. Nhiệt độ và áp suất tăng do quá trình đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và khí, làm piston chuyển động từ điểm chết trên đến điểm chết dưới. Quá trình này tạo nên chuyển động quay của trục khuỷu. Tại điểm kết thúc của kỳ nổ (piston ở điểm chết dưới), van xả bắt đầu mở để chuẩn bị cho chu kỳ tiếp theo.
- Kỳ xả: Ở chu kỳ này, van xả mở, van nạp đóng. Piston chuyển động từ điểm chết dưới lên điểm chết trên, khí trong xy-lanh được đẩy ra bên ngoài môi trường. Kết thúc chu kỳ, van xả đóng, van nạp mở để bắt đầu cho một quy trình làm việc mới.
Trong hơn một thế kỷ, các bộ phận cốt lõi này đã mang lại cho động cơ 4 kỳ hoạt động theo chu trình Otto sức sống rất bền bỉ, được sử dụng rộng rãi cho đến tận ngày nay. Phần lớn thiết kế ban đầu của Otto vẫn đang tồn tại bên trong các động cơ vận hành bằng chu kỳ Atkinson hoặc Miller hiện đại hơn. Trục khuỷu, thanh truyền, piston, van, buồng đốt, ống nạp, trục cam, bộ phun nhiên liệu, ống xả… tất cả đều vẫn còn đó. Chúng chỉ nhẹ hơn, mạnh hơn và hiệu quả hơn bao giờ hết.
Chu trình Atkinson
Động cơ chu trình Otto mang tính cách mạng về nhiều mặt ở thời điểm nó ra đời, nhưng khi so với các loại động cơ hiện đại ngày nay thì nó lại cực kỳ kém hiệu quả. Các hành trình nén và nổ, thời điểm nạp van, thời điểm đánh lửa và các bộ phận bên trong đều gây ra thất thoát năng lượng, có lúc nhiều không kém gì lượng công suất mà chúng sản sinh ra.
Đương nhiên, không mất nhiều thời gian trước khi mọi nhà khoa học và kỹ sư trên toàn thế giới văn minh lúc cuối thế kỷ 19 tìm cách cải tiến động cơ 4 kỳ của Otto. Mặc dù có thể chưa bao giờ trở nên nổi tiếng (hoặc giàu có) như người sáng tạo ra động cơ 4 kỳ, nhưng kỹ sư người Anh có tên James Atkinson (1846 – 1914) đã đặt nền móng cho sự phát triển của động cơ đốt trong hiện đại.
Vấn đề là Otto đã được cấp bằng sáng chế cho thiết kế động cơ của mình nên theo luật pháp thời kỳ đó, cần phải chờ một khoảng thời gian nhất định trước khi Atkinson có thể đưa ra một thiết kế chỉnh sửa lại mà không vi phạm bản quyền. So với thiết kế Otto, động cơ 4 kỳ của Atkinson dựa vào sự thay đổi về độ dài hành trình để làm tăng hiệu quả nhiên liệu và tránh lãng phí. Ông được cấp bằng sáng chế vào năm 1882.
Nếu như động cơ chu trình Otto tiêu chuẩn có thời gian dịch chuyển piston bằng nhau trong tất cả 4 kỳ vận hành, thì động cơ chu trình Atkinson có hành trình nén ngắn hơn chút so với hành trình nổ, khiến cho tỷ lệ nén thực sự nhỏ hơn tỷ lệ sinh công, cho phép quá trình đốt cháy tác động lên piston lâu hơn. Nhờ đó, chu trình nhiệt động lực học trong phần piston và bánh đà của khối động cơ trở nên hiệu quả hơn nhiều: nhiệt năng và động năng thường bị mất trong chu trình Otto thông qua khí thải có thể được sử dụng trong chu trình Atkinson để tạo ra công suất.
Thiết kế ban đầu của Atkinson rất phức tạp, không chỉ sử dụng trục khuỷu mà còn cả trục phụ và các thanh đa liên kết bổ sung để cho phép các piston di chuyển quãng đường ngắn hơn trong hành trình nén so với hành trình nổ. Điều này cũng cho phép tất cả 4 kỳ của động cơ xảy ra trong phạm vi 1 vòng quay trục khuỷu (360 độ), gọn gàng hơn so với 2 vòng quay trục khuỷu (720 độ) mà chu trình Otto cần.
Động cơ chu trình Atkinson có nhược điểm là đạt công suất kém hơn so với các động cơ chu trình Otto ở cùng mức kích thước và khối lượng. Có một vài lý do. Dung tích hiệu quả nhỏ hơn có nghĩa là ít không khí và nhiên liệu cho quá trình đốt cháy hơn, do đó ít năng lượng được tạo ra hơn. Tỷ số nén thấp hơn dẫn đến ít sức mạnh hơn. Áp suất khí thải thấp hơn có nghĩa là khí thải thoát ra chậm hơn, do đó không có lợi cho hiệu quả xả sạch và khả năng quay vòng. Hành trình nổ dài hơn hoạt động chống lại vòng quay tốc độ cao.
Đáng tiếc là vào thời kỳ cuối thế kỷ 19, hầu như chẳng ai quan tâm đến yếu tố sử dụng nhiên liệu hiệu quả và thậm chí là giá xăng dầu như hiện tại, mà chỉ muốn động cơ sản sinh được càng nhiều công suất càng tốt. Chính tư duy đó, cộng với việc chu trình Atkinson cần thiết kế tương đối phức tạp hơn so với Otto, đã khiến kiểu chu trình này bị ngó lơ và bị coi là một phát minh thất bại.
Phải cần đến hơn một thế kỷ sau khi ra đời, động cơ chu trình Atkinson mới nhận được sự yêu mến xứng đáng dành cho nó, phần lớn nhờ vào sự xuất hiện của xe hybrid và các cải tiến sửa đổi bổ sung để có thể hoạt động song song cùng với động cơ kiểu Otto ít phức tạp hơn. Với sự ra đời của các mô-tơ điện đóng vai trò hỗ trợ sản sinh mô-men xoắn tức thì ở thời điểm xuất phát hoặc tốc độ vòng quay động cơ thấp, nhược điểm của chu trình Atkinson được bù trừ thành công. Khi mô-tơ điện “đuối” dần cũng là lúc động cơ xăng chu trình Atkinson đã có thể vận hành tối ưu. Sự thiếu hụt sức mạnh của Atkinson so với Otto cũng ít có ý nghĩa hơn trên những chiếc xe hybrid vì hiệu suất sử dụng nhiên liệu được đặt lên hàng đầu.
Ngày nay, các động cơ được gắn nhãn “chu trình Atkinson” phần lớn sử dụng chu trình Atkinson đã được sửa đổi, trong đó kỳ nén được rút ngắn bằng cách giữ cho van nạp mở trong quá trình bắt đầu đốt để giảm áp suất, thay vì hành trình ngắn hơn về mặt cơ học. Nếu xét một cách thuần túy thì đây không phải là chu trình Atkinson thực sự vì cả 4 hành trình chỉ xảy ra khi trục khuỷu quay 720 độ.
Chu trình Miller
Sự thay đổi lớn tiếp theo xảy ra vào năm 1957 khi một kỹ sư người Mỹ gốc Đan Mạch tên là Ralph H. Miller (1890-1967) đưa ra bằng sáng chế động cơ của riêng mình. Chu trình Miller tận dụng những cải tiến về hành trình nén của động cơ Atkinson và sử dụng thiết kế thanh kết nối đơn giản hơn để tiếp tục cải thiện hiệu suất của động cơ 4 kỳ. Bí quyết là cho phép van nạp tiếp tục mở lâu hơn nữa, khoảng 20 đến 30% hành trình nén đầu tiên và bù đắp tổn thất nén bằng cách sử dụng biện pháp nạp khí cưỡng bức.
Đối với chu trình Miller, hành trình nén được tách thành 2 chu kỳ riêng biệt, kỳ đầu khi van nạp mở và kỳ cuối khi van nạp đóng, nên có thể coi động cơ loại này có “5 kỳ”. Khi piston di chuyển lên trên trong kỳ đầu của hành trình nén, van nạp mở khiến một lượng khí bị đẩy ra ngoài. Thông thường, điều này sẽ làm hao hụt công suất. Tuy nhiên, chu trình Miller bù đắp bằng việc sử dụng bộ siêu nạp (supercharger), cụ thể là loại có khả năng tạo ra sức kéo ở mức vòng tua động cơ tương đối thấp. Nhờ đó, công suất hiệu quả về lý thuyết được khôi phục 100%.
Trong động cơ chu trình Miller, piston chỉ bắt đầu nén hỗn hợp nhiên liệu-không khí sau khi van nạp đóng lại; và van nạp đóng lại sau khi piston đã di chuyển một khoảng cách nhất định so với vị trí dưới cùng của nó: khoảng 20 đến 30% tổng hành trình của piston trong hành trình đi lên này. Vì vậy, piston thực sự chỉ nén hỗn hợp nhiên liệu-không khí trong khoảng 70% đến 80% hành trình nén sau.
Có nhiều hãng xe đã thử ứng dụng chu trình Miller vào động cơ của họ như Mazda hay Nissan. Dù hiệu năng vận hành và hiệu quả sử dụng nhiên liệu đều cải thiện so với thiết kế Otto truyền thống, những động cơ dùng chu trình Miller đều phức tạp hơn đáng kể vì phải bổ sung cơ chế quản lý luồng khí, các bộ tản nhiệt và van dẫn, khiến chi phí tăng thêm nhiều.
Chu trình Miller chỉ thực sự đánh dấu sự trở lại vào năm 1997, khi Toyota giới thiệu động cơ xăng 1NZ-FXE dung tích 1.5 lít trên chiếc Prius đầu tiên. Đây thực chất là một thiết kế ứng dụng đồng thời cả chu trình Atkinson chỉnh sửa và chu trình Miller, trong đó vai trò nạp khí cưỡng bức được giao cho bộ mô-tơ điện hỗ trợ. Thiết kế này tỏ ra đáng tin cậy đến mức nó đã được sử dụng trên mọi mẫu xe mang huy hiệu hybrid của Toyota.
Tổng hợp
Le Hai.