Chu trình Atkinson – Sự cải tiến của chu trình Otto

Động cơ chu trình Atkinson cổ điển

Ở động cơ chu trình Otto, 1 chu kỳ được hoàn thành với 2 vòng quay của trục khuỷu: hút/cháy và giãn nở sinh công/thải. Ở động cơ Atkinson cổ điển, người ta thêm vào 1 số các liên kết khiến 4 kỳ được thực hiện chỉ với 1 vòng quay trục khuỷu. Điều này nâng cao hiệu suất của động cơ. Ngoài ra, Atkinson còn có 1 phát hiện khác: nếu giảm sự nén và quá trình giãn nở sinh công dài hơn kỳ nạp, động cơ sẽ hoạt động hiệu quả hơn, tiết kiệm nhiên liệu hơn.

Động cơ chu trình Atkinson cổ điển

Hãy thử tưởng tượng, ở kỳ nạp, piston không di chuyển hoàn toàn xuống ĐCD và van nạp không cho phép nhiều hòa khí đi vào xylanh. Ít hòa khí dẫn đến nén ít hơn. Sau đó, piston di chuyển đến ĐCT ở kỳ nén và ở ĐCT, hòa khí được đốt cháy. Như “1 vụ nổ”, toàn bộ lực sẽ đẩy piston di chuyển xuống ở quá trình giãn nở sinh công. Lần này, quãng đường đi xuống ĐCD của piston nhận toàn bộ lực sản sinh ở quá trình cháy. 1 lần nữa, piston đi lên đến ĐCT để đẩy khí thải ra ngoài ở kỳ thải.

Dĩ nhiên, bạn có thể dễ dàng nhận ra rằng ít nhiên liệu và nén ít hơn đồng nghĩa với ít công suất hơn. Dù cho có kéo dài kỳ nạp đi nữa thì cũng không thể sinh công nhiều bằng động cơ có tỉ số nén cao với nhiều hòa khí. 1 thử thách khác với động cơ Atkinson là nó đòi hỏi phải thêm khá nhiều bộ phận thêm vào khiến cho việc lắp ráp rất phức tạp, chưa kể đến giá thành sẽ tăng lên dẫn đến việc áp dụng động cơ Atkinson cổ điển gặp nhiều khó khăn.

Động cơ chu trình Atkinson hiện đại

Nếu bạn đặt động cơ Atkinson hiện đại bên cạnh động cơ Otto hiện đại, bạn sẽ không thể thấy sự khác biệt nào cả. “Không có thứ gì trên Prius mà không có trên động cơ hiện nay” theo lời của David Lee thuộc đại học Toyota. Những thứ mà Atkinson phải đạt được trong việc sắp xếp trục khuỷu bây giờ có thể thực hiện với công nghệ van biến thiên, 1 giải pháp rẻ hơn và dễ dàng hơn. Hãy nhớ rằng, ở động cơ Atkinson cổ điển, van nạp đóng sớm hơn để giữ 1 lượng hòa khí bên ngoài. Bây giờ, van nạp mở lâu hơn để khi piston đi lên ở kỳ nén, 1 lượng nhỏ hòa khí có thể thoát ra. Mỗi phương pháp đều có chung mục đích: giảm tỉ số nén. Trong thuật ngữ công nghệ, phương pháp mới gọi là “LIVIC” (Late Intake Valve Closer). 

Sự khác nhau giữa chu trình Otto và chu trình Atkinson

Về cơ bản, chu trình Otto là chu trình cấp nhiệt đẳng tích. Một cách ngắn gọn, chu trình Otto không tối ưu được tỷ lệ giữa công nén và công nổ. trong 4 kỳ của động cơ Otto, chỉ có kỳ nổ dãn là tạo ra sức mạnh động cơ, 3 kỳ còn lại chỉ hấp thu động năng do kỳ nổ dãn đã tạo ra, tiêu tốn động năng nhiều nhất ở kỳ nén. Để tăng mức công suất trên động cơ Otto, người ta tăng tỷ số nén của động cơ đó, từ đó tăng tỷ số giãn nở, đồng thời cho phép tăng lượng hòa khí đi vào xylanh nhờ các bộ nạp tăng áp, hoặc cũng có thể tận dụng nguồn nhiệt động cơ để sử dụng cho các mục đích khác. Động cơ “nạp, nén, nổ, xả” truyền thống được thiết kế với tiêu chí phải đảm bảo quá trình xả đủ tốt, tốn ít công đẩy khí cháy ra khỏi động cơ nhằm tiết kiệm năng lượng cho quá trình nén diễn ra hiệu quả.

Chu trình Atkinson gần giống với chu trình Otto. Ở động cơ hoạt động theo chu trình Atkinson, van nạp đóng trễ ở cuối kỳ nạp, đầu kỳ nén. Điều này khiến cho hòa khí bị đấy nhẹ ngược về đường ống nạp, làm giảm bớt lượng hòa khí vào xylanh, dẫn đến mức công suất sinh ra của động cơ cũng giảm theo. Mặc dù điều này làm giảm tỷ số nén của động cơ nhưng vẫn giữ nguyên được tỷ số giãn nở. Điều này có nghĩa rằng động cơ sẽ tốn ít năng lượng hơn cho quá trình nén và gia tăng công sinh ra từ quá trình cháy-giãn nở.

Về tổng quan, điều này sẽ giúp tăng hiệu quả sử dụng nhiên liệu của động cơ nhưng sẽ giảm mức công suất sinh ra trên 1L dung tích động cơ. Toyota Prius đời 2015 được trang bị động cơ Atkinson, dung tích 1.8L sản sinh công suất tối đa 98 mã lực, tương đương 54 mã lực trên 1L dung tích động cơ. Chiếc Chevrolet Cruze đời 2015 cũng sử dụng động cơ 1.8L, hoạt động theo chu trình Otto, sản sinh công suất tối đa 138 mã lực, tương đương 76,67 mã lực trên 1L dung tích động cơ.

Có thể thấy, chu trình Atkinson đã khắc phục được những nhược điểm của chu trình Otto. Tuy vẫn còn chưa đạt hiệu quả về công suất nhưng với sự phát triển của công nghệ, tương lai về những chiếc xe công suất lớn sử dụng động cơ Atkinson là điều có thể xảy ra. Hy vọng bài viết đã cung cấp những kiến thức bổ ích về chu trình Atkinson.

Nguồn: https://news.oto-hui.com