Các động cơ đốt trong sử dụng trong ô tô, xe máy, các phương tiện giao thông vận tải, máy móc đều hoạt động theo một chu trình nhiệt nào đó. Các chu trình nhiệt này mô tả quá trình tạo ra năng lượng từ việc đốt cháy trong chu kỳ hoạt động. Phổ biến trong động cơ ngày nay là chu trình Otto, Atkinson và Miller. Trong bài viết này, sẽ tìm hiểu các chu trình này, bài viết sẽ mang nặng tính lý thuyết và học thuật, nên có thể sẽ khó hiểu.

1. Chu trình Otto

Chu trình Otto Nhiệt động lực học là một chu trình đốt cháy nhiệt động lý tưởng, bao gồm như sau: một quá trình nén ở entropy không đổi; một nhiệt lượng không đổi truyền cho hệ thống; một sự mở rộng (giãn nở) tại entropy không đổi; và một nhiệt lượng không đổi truyền đi từ hệ thống. (Nghe rất là khó hiểu nhỉ, vì nó là lý thuyết mang tính học thuật). Hiệu suất nhiệt của chu trình Otto lý tưởng tăng khi tỷ số nén tăng. Phiên bản thực tế của chu trình này được sử dụng trong động cơ đốt trong.

Chu trình Otto được đặt theo tên của Nikolaus Otto (1832–1891, người Đức), người được coi là người đầu tiên sáng tạo ra động cơ đốt trong chạy bằng nhiên liệu dầu mỏ hoạt động theo chu trình bốn kỳ. Động cơ của Otto hoạt động trong thời kỳ trước của cuộc cách mạng công nghiệp là một bước phát triển quan trọng dẫn đến buổi bình minh của ngành công nghiệp ô tô vào cuối thế kỷ 19. Chu kỳ Otto bao gồm bốn kỳ (hành trình) động cơ.

Hành trình hay kỳ được định nghĩa là một quá trình trong đó piston của xi lanh di chuyển lên phía trên (Điểm chết trên) của động cơ hoặc xuống phía dưới (Điểm chết dưới) của động cơ.

• Quá trình 0–1 một khối lượng khí được hút vào xi lanh ở áp suất không đổi khi piston di chuyển từ Điểm chết trên (ĐCT) xuống Điểm chết dưới (ĐCD).
• Quá trình 1–2 là một quá trình nén đoạn nhiệt (đẳng hướng) của khối khí khi piston di chuyển từ ĐCD lên ĐCT.
• Quá trình 2–3 là quá trình truyền nhiệt một thể tích không đổi cho khối khí làm việc từ nguồn bên ngoài (đánh lửa của bugi) trong khi piston ở ĐCT. Quá trình này nhằm thể hiện sự bốc cháy của hỗn hợp nhiên liệu-không khí và sự cháy nhanh chóng sau đó.
• Quá trình 3–4 là một sự mở rộng đoạn nhiệt (đẳng hướng) (hành trình công suất – giãn nở).
• Quá trình 4–1 hoàn thành chu trình bằng một quá trình thể tích không đổi, trong đó nhiệt bị loại bỏ khỏi khí trong khi piston ở ĐCD.
• Quá trình 1–0 khối lượng khí được giải phóng vào khí quyển trong một quá trình áp suất không đổi.

Ngày nay, Chu trình Otto thường được liên kết với một phân tích chu trình lý tưởng của quá trình đốt trong xăng đánh lửa bằng tia lửa điện. Chu trình lý tưởng này giả định rằng quá trình đốt cháy xảy ra tức thì ở thể tích không đổi. Phân tích Chu trình Otto này có thể cung cấp thông tin chi tiết về hiệu suất động cơ bị ảnh hưởng như thế nào khi thay đổi các thông số vận hành và thiết kế. Ngày nay, hầu hết các động cơ xăng trên ô tô và các phương tiện đường bộ khác đều sử dụng chu trình Otto. Động cơ hoạt động theo chu trình Otto tương đối rẻ để sản xuất và cung cấp công suất hợp lý cho tỷ lệ trọng lượng với hiệu suất tốt. Trong những năm gần đây, những cải tiến về thiết kế động cơ cùng với quá trình xử lý khí thải đã giúp cho việc các phương tiện tạo ra mức ô nhiễm rất thấp.

2. Chu trình Atkinson

Động cơ chu trình Atkinson là một loại động cơ đốt trong do James Atkinson phát minh vào năm 1882. Chu trình Atkinson được thiết kế để mang lại hiệu quả nhiên liệu cao.

Động cơ chu trình Otto thông thường có 4 giai đoạn trong mỗi chu trình đốt – nạp, nén, giãn nở (nổ) và xả, mỗi giai đoạn mất thời gian và dịch chuyển piston bằng nhau. Động cơ chu trình Atkinson thì khác. Chúng sử dụng hành trình nạp ngắn hơn một chút so với hành trình giãn nở. Nói cách khác, tỷ lệ nén thực sự nhỏ hơn tỷ lệ giãn nở. Lợi ích của sự sắp xếp này là gì? Câu trả lời là hiệu suất nhiên liệu cao hơn. Nếu chúng ta phân tích đường cong áp suất-thể tích của chu trình đốt cháy, bạn sẽ thấy:

Đối với động cơ chu trình Otto (vòng tua màu vàng), pít-tông bắt đầu nén không khí từ ĐCD (điểm 1), thể tích giảm và áp suất tăng cho đến khi đạt ĐCT (điểm 2). Sau đó, quá trình đánh lửa diễn ra và hỗn hợp nhiên liệu-không khí phát nổ, áp suất tăng và đạt đỉnh ngay lập tức (điểm 3). Điều này đẩy pít-tông xuống dưới, thể tích mở rộng và giảm áp suất cho đến khi pít-tông chạm đến ĐCD Otto (điểm 4 Otto). Tại thời điểm này, các van xả mở. Khi áp suất của khí thải nóng cao hơn bên ngoài, nó nhanh chóng chạy ra ống xả, do đó áp suất giảm đột ngột đến áp suất khí quyển (điểm 1). Các ống xả và đường nạp không được hiển thị ở đây vì chúng không góp phần tạo ra công suất. Công thực hiện (năng lượng) do quá trình đốt cháy tạo ra là vùng bên trong đường 1-2-3-4 Otto.

Bây giờ đối với động cơ chu trình Atkinson, giai đoạn giãn nở được phép chạy xa hơn, tốt nhất là cho đến khi áp suất khí giảm xuống bằng áp suất khí quyển (điểm 4Atkinson). Điều này có nghĩa là 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. Năng lượng bổ sung này là vùng 1-4Otto-4Atkinson.

Động cơ chu trình Atkinson không phải là một ý tưởng mới. Thực tế, nó được phát minh bởi kỹ sư người Anh James Atkinson vào năm 1882. Thiết kế ban đầu của ông rất phức tạp, không chỉ sử dụng trục khuỷu mà còn cả trục phụ và các liên kết bổ sung để cho phép các piston di chuyển quãng đường ngắn hơn trong hành trình nén so với hành trình giãn nở. Nó khá tuyệt vời, nhưng do sự phức tạp này và dẫn đến kích thước và trọng lượng tăng thêm, nó không được đưa vào sử dụng thương mại trên ô tô.

Ứng dụng trên ô tô hybrid

Gần đây, các nhà sản xuất ô tô đã hồi sinh mẫu động cơ Atkinson với nỗ lực đạt được mức tiết kiệm nhiên liệu vượt trội. Năm 1997, Toyota giới thiệu động cơ Atkinson 1.5 lít trên chiếc Prius đầu tiên của mình. Kể từ đó, tất cả các xe hybrid của công ty cũng sử dụng loại động cơ này. Họ thực hiện chu trình Atkinson bằng cách trì hoãn việc đóng van nạp để một số khí được bơm trở lại ống nạp trong giai đoạn đầu của hành trình nén. Điều này làm giảm tỷ lệ dịch chuyển và nén hiệu quả. Trong khi tỷ số nén hình học vẫn ở mức hơn 10:1 một chút, tỷ số nén hiệu quả gần với 8:1. Ngoại trừ thời điểm van, động cơ Atkinson hiện đại giống hệt như động cơ Otto, do đó không tốn thêm chi phí và trọng lượng.

Mặt khác, động cơ chu trình Atkinson kém mạnh hơn so với các động cơ chu trình Otto có cùng kích thước và trọng lượng. Điều này là do một số lý do: 1) 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; 2) Tỷ số nén thấp hơn dẫn đến ít sức mạnh hơn; 3) 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. 4) Hành trình giãn nở dài hơn hoạt động chống lại vòng quay tốc độ cao. Tuy nhiên, sự thiếu hụt sức mạnh ít có ý nghĩa hơn trên những chiếc xe hybrid vì hiệu suất nhiên liệu được đặt lên hàng đầu. Ngoài ra, ô tô hybrid có thể bù đắp sự mất mát công suất bằng động cơ điện.

Động cơ chu trình Otto-Atkinson

Do các yêu cầu nghiêm ngặt về tiết kiệm nhiên liệu, trong những năm gần đây, các nhà sản xuất ô tô cũng bắt đầu sử dụng nguyên tắc Atkinson trên ô tô thông thường. Tuy nhiên, họ sử dụng thời gian van biến thiên để điều chỉnh thời điểm đóng của van nạp, để động cơ có thể chạy chu trình Atkinson ở chế độ không tải và tải nhẹ hoặc chuyển sang chu trình Otto khi cần nhiều sức mạnh hơn, đáp ứng tốt nhất cả hai yêu cầu tải. Năm 2012, Mazda là hãng đầu tiên đưa động cơ chu trình Otto-Atkinson như vậy vào sản xuất. Skyactiv-G 2.0 lít cải tiến của nó sử dụng tỷ số nén cao bất thường 14.0:1 (hoặc 13:1 cho thị trường Hoa Kỳ do nhiên liệu 87 Octan). Kết quả là, tỷ số nén hiệu quả ở chế độ Atkinson duy trì ở mức tương đối cao, giảm thiểu tổn thất công suất. Vào năm 2014, Toyota đã theo đuổi cùng một mẫu concept Otto-Atkinson với 2.0 lít VVT-iW (trên Camry), 2.0 Turbo (trên Lexus NX200t) và 5.0 V8 (Lexus RC F), mặc dù tỷ số nén của chúng không cao bằng Mazda . Phát minh bị bỏ rơi từ lâu của James Atkinson cuối cùng cũng thành công, mặc dù ở một hình thức khác nhiều.

3. Chu trình Miller

Được phát minh bởi Ralph Miller kỹ sư người Mỹ vào những năm 1940, chu trình Miller là một biến thể của chu trình Atkinson. Như đã giải thích ở trên, động cơ chu trình Atkinson sử dụng hành trình giãn nở dài hơn hành trình nén để thu năng lượng dư sẽ bị mất trong khí thải. Do đó, nó mang lại hiệu suất nhiên liệu cao hơn so với động cơ chu trình Otto thông thường. Tuy nhiên, một nhược điểm lớn là thiếu công suất so với các động cơ chu trình Otto có cùng kích thước và cấu tạo. Để giải quyết vấn đề này, chu trình Miller bổ sung một bộ tăng áp để tăng áp suất không khí để khôi phục 100% công suất hiệu quả. Tất nhiên, để trả lại hiệu suất nhiên liệu cao hơn, bộ tăng áp cần phải hiệu quả, tiêu hao ít năng lượng hơn so với mức tiết kiệm đạt được theo chu trình Miller.

Động cơ Miller Cycle 2.3 lít của Mazda là động cơ duy nhất thuộc loại này. Mặc dù nó đạt được mức tiêu thụ nhiên liệu giảm 10-15% so với các động cơ thông thường tương đương, nhưng chi phí sản xuất cao đã khiến nó không được phổ biến.

Thời điểm van của động cơ Miller Cycle V6 của Mazda. Các van nạp của nó đóng ở 47 độ sau Điểm chết dưới. Điều này tương đương với 20% chiều cao của hành trình. Nói cách khác, trong 20% hành trình nén đầu tiên, các van nạp vẫn mở, do đó không khí chảy ra ngoài mà không bị nén. Thực tế nén diễn ra ở 80% hành trình còn lại, do đó công suất hiệu dụng của động cơ chỉ bằng 80% công suất hình học. Do đó, tỷ số nén bị giảm từ 10:1 xuống dưới 8:1 một chút.

Mazda đã giới thiệu động cơ Miller Cycle V6 2.3 lít cho Millenia/Eunos 800 vào năm 1994. Nó được cho là tiêu thụ ít nhiên liệu hơn 13% so với động cơ V6 thông thường 3 lít của Mazda, đồng thời tạo ra nhiều công suất hơn và đường cong mô-men xoắn tốt hơn. Tuy nhiên, kể từ đó, cả Mazda và các nhà sản xuất xe hơi khác đều không tiếp tục phát triển loại động cơ này. Tại sao? Mặc dù nó được tuyên bố là động cơ 2.3 lít, nó thực sự được cấu tạo giống như động cơ 3 lít, bất kể kích thước, cấu tạo và vật liệu. Tiếp theo là bộ tăng áp và bộ làm mát bên trong làm tăng thêm chi phí và trọng lượng. Xét về lợi thế mỏng trong việc tiết kiệm nhiên liệu, sử dụng một động cơ tăng áp hoặc siêu nạp nhỏ hơn có thể dễ dàng tốt hơn.