Công thức tính công suất động cơ và các đặc tính công suất

Công suất là yếu tố quyết định sức mạnh và hiệu suất của một động cơ. Công thức tính công suất động cơ giúp chúng ta đánh giá khả năng làm việc của động cơ trong một đơn vị thời gian. Đặc biệt, khi nói đến mã lực là nói đến sức mạnh đặc trưng của động cơ, biểu hiện cho khả năng duy trì tốc độ cao khi di chuyển.

Bài viết này, chúng ta sẽ khám phá chi tiết về những đặc tính kỹ thuật của công suất động cơ, giúp bạn hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của công suất đối với tốc độ và hiệu suất chuyển động

Công suất động cơ là gì?

Công suất của động cơ ô tô là một yếu tố quan trọng quyết định về khả năng vận hành và hiệu suất của xe. Trong thiết kế động cơ đốt trong, công suất không chỉ là đơn thuần về lực quay mà còn liên quan mật thiết đến khả năng đạt được tốc độ cao hoặc thấp của xe. Đơn vị đo lường của công suất thường là mã lực (HP), kilowatt (kW) hoặc PS.

Có thể hiểu công suất như “tốc độ sinh công” nó thể hiện khả năng động cơ tạo ra momen xoắn. Một công suất lớn có thể đồng nghĩa với khả năng đạt tốc độ cao, nhưng cũng cần phải xem xét mô-men xoắn cực đại của động cơ.

Chẳng hạn, một chiếc xe thể thao có công suất lớn có thể đạt được vận tốc 350 km/h, nhưng nếu mô-men xoắn cực đại thấp, nó có thể không có đủ sức mạnh để kéo một chiếc xe tải hạng nặng. Ngược lại, một chiếc xe tải hạng nặng có mô-men xoắn cực đại cao mặc dù có tốc độ tối đa thấp hơn, nhưng nó có khả năng vận chuyển và kéo nặng một cách hiệu quả. Do đó, công suất là một yếu tố quan trọng cần xem xét khi đánh giá hiệu suất và khả năng của một chiếc ô tô.

Công thức tính công suất động cơ

Công suất trong động cơ là một thước đo quan trọng cho hiệu suất và khả năng vận hành của xe. Nó đại diện cho khả năng sinh công của động cơ, ảnh hưởng đến khả năng tăng tốc của xe khi đang lăn bánh. Mối quan hệ giữa công suất và momen xoắn có thể được mô tả bằng công thức sau:

$P[W]=T[Nm]\times \omega [rad/s]$

Trong đó:

• $P[W]$ là công suất
• $T[Nm]$ là momen xoắn
• $\omega [rad/s]$ là vận tốc góc.

Cần lưu ý rằng công thức trên chỉ là một lý thuyết và trên thực tế, công suất đo được trên máy đo động cơ (dyno) thường nhỏ hơn do sự thất thoát năng lượng qua các chi tiết máy, đặc biệt là thất thoát momen xoắn.

Có thể quy đổi các đơn vị để thuận tiện sử dụng:

1hp = 745.7W

Ví dụ, nếu động cơ của một chiếc xe diesel có vòng tua máy ở 3,200 rpm và tạo ra 170 Nm momen xoắn, theo lý thuyết công suất sẽ khoảng 77.4 hp.

Biểu đồ đặc tính công suất

Biểu đồ đặc tính công suất, hay còn được gọi là “power map” là một công cụ quan trọng giúp hiểu về công năng hoạt động của động cơ ô tô trong các điều kiện khác nhau. Sau khi động cơ được kiểm tra trên dàn băng thử, kết quả được thể hiện thông qua biểu đồ này, làm nổi bật mối quan hệ giữa công suất, vòng tua máy và momen xoắn.

Dưới đây là bảng kết quả đo công suất theo lý thuyết áp dụng cho một mẫu động cơ, tại mỗi giá trị vòng tua máy và momen xoắn:

Biểu đồ đặc tính công suất, khi được biểu diễn dưới dạng lưới, giúp nhìn nhận toàn diện về hiệu suất của động cơ. Nó thể hiện giá trị công suất mà động cơ tạo ra tại từng điểm cụ thể về vòng tua máy và tải. Biểu đồ này là một công cụ hữu ích để đánh giá và điều chỉnh hiệu suất của động cơ, giúp tối ưu hóa vận hành và tiết kiệm năng lượng.

Biểu đồ này có thể được đơn giản hóa thành biểu đồ 2 chiều, với trục hoành là vòng tua máy, trục tung là momen xoắn, và mức độ sáng của điểm dữ liệu thể hiện giá trị công suất. Các đường nối các điểm dữ liệu tại cùng vị trí chân ga tạo ra một biểu đồ đường, giúp ta dễ dàng nhận biết giá trị công suất tại mọi điểm trên lưới.

Khi nối các điểm chân ga lại ta sẽ có biểu đồ đường. Chẳng hạn mẫu động cơ này có thể sản sinh công suất cực đại khoảng 153 hp tại vòng tua 6,300 rpm. Các đường biểu diễn trên biểu đồ càng dốc, thể hiện khả năng tăng tốc của xe càng nhanh. Công suất cực đại đạt được khi vòng tua máy và momen xoắn đạt mức tối ưu. Tuy nhiên, khi tiếp tục tăng vòng tua máy mà không có sự tăng momen xoắn đồng đều, công suất sẽ giảm mạnh, thể hiện sự thất thoát năng lượng.

Đối với các kỹ sư và nhà thiết kế động cơ, biểu đồ đặc tính công suất là một công cụ quan trọng để hiểu rõ về hiệu suất và tối ưu hóa động cơ trong các điều kiện đa dạng.

Cách phân tích biểu đồ đặc tính công suất

Khi xem một biểu đồ đặc tính công suất của động cơ, việc phân tích đúng và hiểu rõ thông tin là quan trọng để đưa ra các quyết định và điều chỉnh cần thiết. Dưới đây là các bước cơ bản để phân tích biểu đồ đặc tính công suất:

Bước 1: Tìm hiểu đại lượng cơ bản

Bắt đầu với việc tìm hiểu biểu đồ đặc tính đơn giản, như đường momen xoắn và công suất tại vị trí bướm ga mở hoàn toàn (full load). Đánh dấu các điểm quan trọng trên biểu đồ để hiểu rõ vị trí của chúng và mối liên quan giữa các đại lượng bao gồm:

Biểu đồ đặc tính tải toàn phần:

Bước 2: Xác định vùng thấp (Low End Torque Zone)

Vùng thấp được định rõ trên biểu đồ, trải từ vị trí N[min] đến N[Tmax]. Đây là vùng mà momen xoắn cao, giúp xe khởi chạy và tăng tốc nhanh. Quan sát vùng này để hiểu cách động cơ phản ứng trong các điều kiện khởi động và khi đối mặt với vật cản lớn.

Bước 3: xác định vùng đàn hồi (Power Band)

Vùng này được xác định trải từ vị trí N[min] đến N[Tmax] trên biểu đồ. Đây là vùng động cơ hoạt động ở trạng thái tối ưu, có khả năng tiết kiệm năng lượng. Trong vùng này, chuyển số có hiệu quả cao nhất và động cơ luôn duy trì công suất và momen xoắn cực đại.

Bước 4: Xác định vùng cao (High End Torque Zone)

Xác định vùng cao trên biểu đồ từ vị trí N[Pmax] đến N[max]. Trong vùng này, quan sát hiện tượng giảm công suất do thất thoát momen xoắn. Một động cơ giữ được giá trị công suất và momen xoắn cao ở vùng này có khả năng tăng tốc tốt ở tốc độ cao và nhanh chóng đạt tốc độ tối đa.

Những phân tích này giúp hiểu rõ về hiệu suất và khả năng hoạt động của động cơ trong các điều kiện khác nhau. Đồng thời, nó cũng làm nền tảng cho việc điều chỉnh và tối ưu hóa hiệu suất của động cơ trong mọi điều kiện hoạt động.