Hai thông số này càng lớn cho thấy xe càng mạnh, nhưng ít ai nắm rõ cụ thể ý nghĩa của chúng như thế nào trên xe.
Đọc thông số kỹ thuật của một xe, bạn có thể gặp các số liệu như công suất cực đại của động cơ là 200 mã lực, đạt được ở tốc độ quay 5.000 vòng/phút, hay mô men xoắn cực đại là 360Nm tại tốc độ quay 2.500 vòng/phút.
Vậy thực sự những số liệu này xuất phát từ đâu và có ý nghĩa như thế nào? Để đơn giản và dễ hiểu, bài viết sẽ đề cập lần lượt từng vấn đề và các khái niệm cơ bản với các ví dụ minh họa cụ thể, trước khi gắn chúng với ô tô để hiểu ý nghĩa của những khái niệm này trên ô tô.
Mô men xoắn là gì?
Mô men xoắn là một đại lượng vật lý biểu thị cho tác động của một lực làm quay một vật thể quanh một trục, ví dụ tác động xiết ốc của một cờ-lê như hình dưới. Mô men xoắn như được biết đến có đơn thường dùng trong hệ SI là Nm, tức mô men xoắn tỷ lệ thuận với độ lớn của lực tác động (đo bằng Newton – N) và độ dài của cánh tay đòn (Mét – m). Trong ví dụ cờ-lê xiết ốc thì khi xiết với lực 50N và cánh tay đòn dài 30cm, mô men xoắn mà cờ lê tạo ra là 50×0,3 = 15Nm.
Ví dụ minh họa dễ hiểu thứ 2 để mô tả đại lượng mô men xoắn đó là hình ảnh trục quay giếng nước. Khi khối lượng thùng nước là không đổi, cánh tay đòn càng dài thì bạn chỉ cần tác động một lực tương đối nhỏ là có thể quay được thùng nước lên. Nếu cánh tay đòn càng dài, lực tác động càng lớn, thì mô-men bạn tạo ra càng cao, có thể quay được thùng nước lớn hơn nhiều.
Công suất là gì?
Công suất về lý thuyết là công mà một lực thực hiện được trong một đơn vị thời gian. Đơn vị thường dùng của công suất là “mã lực” xuất phát từ cách tính của James Watt về công mà một chú ngựa bỏ ra để kéo một vật nặng 1 pound (0,454kg) lên cao 1 foot (0,3048m) trong thời gian 1 phút.
Đó là với chuyển động thẳng, còn trong chuyển động tròn với vận tốc quay là n thì quãng đường di chuyển trong một đơn vị thời gian được qui đổi thành vận tốc góc, và lúc này công suất bằng mô men xoắn gây ra tác động quay nhân với vận tốc quay. Trong hệ mét thì 1 mã lực được qui ước bằng 75kgf.m/s và bằng 735,5W.
Quay trở lại với ví dụ về trục quay giếng nước. Với cùng một trục quay, hai người có độ bền và sức khỏe khác nhau sẽ có công suất quay nước khác nhau như thế nào?
Người A khỏe hơn nên có lực tác động lớn hơn, tạo ra mô-men xoắn lớn, có thể quay được những thùng nước 20 lít, còn người B yếu hơn, nên lực tác động thấp hơn, chỉ quay được những thùng nước 10 lít. Tuy nhiên, vì người A khỏe nhưng chậm chạp nên một ngày chỉ quay được 10 thùng (tương đương 10×20 = 200 lít nước), còn người B yếu nhưng nhanh nhẹn hơn nên một ngày có thể quay được 50 thùng (tương đương 50×10 = 500 lít nước). Cho nên có thể nói công suất làm việc của người B trong một ngày vẫn cao hơn người A, dù người này tạo ra mô-men quay thấp hơn.
Ý nghĩa trên ô tô
Nguyên lý hoạt động của động cơ ô tô (xét ở loại phổ biến nhất là động cơ đốt trong 4 kỳ, cả xăng lẫn diesel) là chuyển đổi hóa năng thành cơ năng thông qua các chu kỳ tuần hoàn lần lượt là nạp, nén, nổ, xả và cơ cấu pít-tông -thanh truyền – trục khuỷu.
Theo đó, áp lực giãn nở của khí cháy sinh ra trong kỳ nổ sẽ đẩy piston đi xuống, thông qua cơ cấu thanh truyền và trục khuỷu, lực này sinh công, tạo ra mô men xoắn trên trục khuỷu, làm quay trục khuỷu, không khác gì ví dụ minh họa về trục quay giếng nước ở trên.
Xét đến khả năng vận hành của một chiếc xe. Mô men xoắn cao có ý nghĩa lớn trong việc giúp xe bươn, trườn, ủi, leo dốc. Và ví dụ điển hình cho các loại xe mô men xoắn cao đó là các dòng xe dùng động cơ diesel. Vì đặc tính tự cháy của nhiên liệu diesel, nên động cơ diesel được thiết kế với tỷ số nén lớn, hành trình piston dài nên bán kính khuỷu lớn (tức cánh tay đòn lớn), tạo ra mô men xoắn lớn trên trục khuỷu ngay từ các dải tốc độ thấp.
Ví dụ, Toyota Fortuner phiên bản máy dầu có dung tích động cơ chỉ 2.5L nhưng mô men xoắn cực đại lên tới 343Nm tại tốc độ quay 2.800 vòng/phút, trong khi đó phiên bản máy xăng có dung tích động cơ 2.7L, nhưng mô men xoắn cực đại chỉ là 241Nm tại tốc độ quay 3.800 vòng/phút. Đây cũng là lý do mà phần lớn các dòng xe tải vốn đòi hỏi cao về sức kéo thay vì tốc độ, thường được trang bị động cơ diesel thay vì động cơ xăng.
Tuy nhiên, vì tốc độ quay của động cơ diesel thấp nên công suất cực đại tạo ra lại thường không cao bằng so với động cơ xăng có dung tích tương đương.
Về mặt ý nghĩa, công suất lớn hay nhỏ quyết định tới việc một chiếc xe có thể chạy nhanh như thế nào và tốc độ tối đa là bao nhiêu. Đối với động cơ diesel, vì tỷ số nén lớn, nhiên liệu tự cháy dưới áp suất và nhiệt độ cao, tốc độ cháy chậm, động cơ nặng nề, nên tốc độ quay của động cơ tăng lên chậm hơn rất nhiều so với động cơ xăng.
Tuy nhiên với động cơ xăng thì khi đạp mạnh chân ga, tốc độ quay của động cơ có thể tăng từ 1.000 vòng/phút lên hơn 6.000 vòng/phút chỉ trong một thời gian rất ngắn, nên dễ tăng tốc nhanh và có thể đạt tốc độ tối đa lớn. Đây cũng là lý do tại sao các dòng xe du lịch dùng động cơ xăng thông thường có tốc độ quay của động cơ nằm trong ngưỡng dưới 9.000 vòng/phút, nhưng các cỗ máy tốc độ như xe đua F1 có tốc độ quay của động cơ lên tới 15.000 thậm chí 18.000 vòng/phút.
Tất nhiên, sự so sánh ở đây chỉ chính xác khi xét trong cùng một trình độ công nghệ. Việc ứng dụng các công nghệ khác như turbo tăng áp có thể làm cho tương quan này thay đổi đáng kể. Ngoài ra, tùy vào mục đích sử dụng của từng dòng xe mà nhà sản xuất có thể thay đổi thiết kế của động cơ để ưu tiên cho mô men xoắn hay công suất.
Vậy tại sao các thông số “công suất cực đại” hay “mô men xoắn cực đại” lại đi kèm với số liệu là “đạt được ở tốc độ quay” (hoặc một dải tốc độ quay) nhất định nào đó?
Không giống như các loại động cơ điện với công suất và mô men xoắn thường rất ổn định. Do đặc tính sử dụng nhiên liệu hóa thạch và chuyển hóa thành cơ năng do quá trình cháy và giãn nở, công suất và mô men xoắn của động cơ đốt trong thay đối đáng kể theo từng tốc độ quay khác nhau, và chỉ đạt đến mức cực đại tại một (hoặc một khoảng) tốc độ quay nhất định.
Đường đặc tính của 2 thông số này có dạng parabol lồi. Và đối với hầu hết các loại động cơ, mô men xoắn thường đạt đến giá trị cực đại ở tốc độ quay thấp hơn so với công suất cực đại. Ngoài ra, các nhà sản xuất thường cố gắng cải tiến động cơ để có thể đạt đến mô men xoắn cực đại ở ngưỡng tốc độ quay thấp nhất có thể nhằm hạn chế mức tiêu hao nhiên liệu và giúp xe có sức kéo tốt ngay từ những nhịp ga đầu tiên, đồng thời cố gắng duy trì mô men xoắn cực đại này trong một dải tốc độ càng tốt.
Công suất và mô men xoắn cực đại chỉ đạt được ở một tốc độ quay nhất định.
Công suất và mô men xoắn cực đại đạt được ở một dải tốc độ quay.
