Vì sao cứ mỗi 30 lít xăng đổ vào bình thì động cơ sử dụng chưa đến 10 lít; vậy hơn 20 lít còn lại thì đi đâu?

Khả năng sử dụng năng lượng có lẽ là một trong những vấn đề lớn nhất mà một người dùng phổ thông sẽ cân đo đong đếm trước khi đưa ra quyết định mua xe. Với xe sử dụng động cơ đốt trong, đó sẽ là mức tiêu hao nhiên liệu mỗi 100km; với xe điện, đó sẽ là quãng đường có thể đi với một lần sạc đầy.

Nói riêng với xe sử dụng động cơ đốt trong, nhìn chung thì cứ mỗi 30 lít xăng đổ vào bình thì sẽ chỉ có chưa tới 1/3 số xăng đó dùng để khiến chiếc xe lăn bánh. Vậy hơn 2/3 số còn lại đi đâu?

Động cơ đốt trong, đúng như tên gọi, đốt nhiên liệu và chuyển hóa nhiệt lượng thành động năng giúp chiếc xe có thể di chuyển. Tuy nhiên, có tới 50% năng lượng được chuyển hóa chuyển thành động năng, số còn lại hao phí dưới dạng nhiệt; ngoài ra thì không phải toàn bộ 50% năng lượng kia được chuyển hóa thành động năng quay bánh xe, khi có tới gần 30% trong đó đã mất đi chỉ vì ma sát.

Sau cùng, phần trăm năng lượng thực sự được chuyển hóa để lăn bánh chiếc xe chỉ còn khoảng 30%. Vậy có cách nào để có thể tăng con số này lên, tức cải thiện mức tiêu hao nhiên liệu, không?

CỐT LÕI VẤN ĐỀ

Xe đua Công thức 1 có tỷ lệ công suất/dung tích rất tốt.

Để hiểu rõ bản chất vấn đề, hãy cùng sơ qua cách động cơ đốt trong làm việc.

Với động cơ đốt trong, hòa khí (gồm không khí và hơi xăng) được chuyển hóa thành năng lượng tại buồng đốt, tạo ra áp suất đẩy piston đi. Piston gắn với trục khuỷu bằng thanh truyền, biến chuyển động theo chiều dọc thành chuyển động xoay. Sau đó, trục khuỷu sẽ chuyển động năng xoay qua các hệ thống truyền động xuống bánh xe.

Tại động cơ, xu páp đóng mở liên tục để nạp hòa khí và thải khí thải. Ước tính chỉ có khoảng từ 40% đến 50% nhiệt lượng tại kỳ nổ được chuyển thành năng lượng dạng cơ khí, số còn lại đều bị thải bỏ. Nhưng nếu có thể cải thiện được kỳ nổ và có hệ thống phục hồi nhiên liệu, chúng ta có thể tăng hiệu quả sử dụng nhiên liệu, giảm mức tiêu hao nhiên liệu đi 30%.

Ma sát

Một vấn đề lớn cần được nhắc đến là lực ma sát. Ma sát có thể hiểu là lực cản chuyển động trượt lên nhau giữa hai vật khi cả hai có tiếp xúc với nhau. Ví dụ, nhờ có lực ma sát giữa giày và mặt đất mà chúng ta có thể đi mà không bị trượt chân. Trong trường hợp ma sát thấp, giả sử trên bề mặt đường có băng tuyết, thì sẽ khiến việc bước đi khó khăn, nhưng lại khiến cho trượt bằng giày dễ dàng. Trong tình huống đó, thay vì đi bộ thì có thể chúng ta sẽ sử dụng giày trượt - công cụ tận dụng lực ma sát thấp với mặt đất để trượt đi.

Nhưng quan trọng là hai vật cứ cọ xát vào nhau thì sẽ sinh ra lực ma sát. Lực ma sát tại đây sẽ gây ra hao phí năng lượng dưới dạng nhiệt. Hao phí diễn ra tương tự với một chiếc xe đang chạy - các chi tiết động cơ và hệ truyền động khi hoạt động sẽ tiếp xúc với nhau, gây hao phí.

Vùng màu vàng bao quanh piston là vùng ma sát. Ảnh: Zephyris/Wikimedia

Ma sát học là một mảng nghiên cứu về cọ sát, ma sát và cách để giảm thiểu tác động của ma sát. Một nghiên cứu gần đây đã giúp chúng ta ước tính năng lượng hao phí do ma sát, xảy ra trong động cơ và hệ truyền động của một chiếc ô tô sử dụng động cơ đốt trong. Trong biểu đồ trên, vùng màu vàng thể hiện nơi xảy ra ma sát trong động cơ.

Năng lượng hao phí nhiều nhất ở quanh piston - chiếm khoảng 45% tổng năng lượng hao phí, kế đến là ở thanh truyền, trục khuỷu, và thân máy - chiếm khoảng 30%; xu páp và bướm ga - chiếm khoảng 10%, và ở các chi tiết động cơ khác - chiếm lượng còn lại.

Thậm chí, năng lượng hữu ích sinh ra còn tiếp tục hao phí tại các cơ cấu truyền động khác, nhất là do ma sát giữa các bánh răng.

Tổng lại, lượng hao phí do ma sát lên tới khoảng 30%.

Tờ Motor1 xếp Mitsubishi Mirage đầu bảng trong số những chiếc xe dùng ít xăng nhất năm 2022 - khoảng 6L/100km đường hỗn hợp.

PHƯƠNG ÁN GIẢI QUYẾT?

Giảm ma sát có giúp tăng hiệu quả sử dụng nhiên liệu?

Như đã nói ở trên, có tới 30% năng lượng hao phí do ma sát giữa các chi tiết truyền động, vậy thì giảm ma sát có thể sẽ giúp tăng hiệu quả sử dụng nhiên liệu. Vì thế, chúng ta cần đi sâu vào các chi tiết cọ xát với nhau. Động cơ và các chi tiết trong hệ truyền động vốn đã sử dụng dầu bôi trơn để giảm ma sát và chống mài mòn; nhưng để giảm nhiều hơn năng lượng mất đi do ma sát, nghiên cứu về ma sát sẽ đi vào hai vấn đề.

Vấn đề thứ nhất là tăng hiệu quả của chất bôi trơn. Các nghiên cứu sẽ tìm hiểu về tác động của nhiệt đến các đặc tính của chất bôi trơn - ví dụ như độ nhớt. Nhìn chung thì ma sát sẽ giảm khi sử dụng chất bôi trơn, nhưng lớp dầu bao bọc có thể quá mỏng, khiến cho các khu vực có bề mặt không nhẵn tiếp xúc với nhau và chóng bị mòn. Để cải thiện điều này thì các nhà khoa học đã nghiên cứu để sử dụng chất phụ gia cho chất bôi trơn.

Sử dụng dầu nhớt phù hợp có thể tối ưu lượng nhiên liệu sử dụng.

Vấn đề thứ hai là nghiên cứu bề mặt ma sát giữa các chi tiết. Các nghiên cứu cũng đi sâu vào bề mặt các chi tiết cọ xát với nhau, nhận thấy có thể giảm ma sát bằng việc mạ vật liệu gốc các-bon, bảo vệ bề mặt chi tiết khi cọ xát với nhau, giảm ma sát; hoặc thiết kế bề mặt có nhiều lỗ với đường kính phù hợp, làm tăng khả năng bôi trơn.

Một nghiên cứu tại Việt Pprime ở Poitiers (Pháp), do CNRS, Đại học Potiers (Pháp) và ISAE Ensma cùng tham gia nghiên cứu, cho thấy rằng có thể giảm tới 50% ma sát khi thiết kế đường vân phù hợp trên bề mặt chi tiết.

Thêm vào đó, với xe sử dụng động cơ đốt trong, nhiều nghiên cứu còn đúc kết rằng công nghệ mới này có thể giảm hao phí năng lượng do ma sát từ 50% đến 60% trong trung hạn, tương đương mức cắt giảm tiêu thụ nhiên liệu hoảng 15%. Nếu kết hợp với các yếu tố khác như cải tiến động cơ, thiết kế xác xe nhỏ và nhẹ hơn, hay lốp có độ rộng nhỏ hơn, thì dường như có thể cắt giảm mức tiêu thụ nhiên liệu đi 50%.

Bề lốp hẹp sử dụng ít nhiên liệu hơn so với lốp có bề rộng lớn.

Vậy có biện pháp nào có thể áp dụng ngay để cắt giảm mức tiêu thụ nhiên liệu? Ngoài việc mua xe mới thì có thể sử dụng chất bôi trơn phù hợp, có thể giảm mức tiêu thụ nhiên liệu chút xíu. Tuy nhiên, việc chọn chất bôi trơn, cụ thể là dầu nhớt, thế nào là phù hợp thì thường chỉ thấy trong các tài liệu khoa học, do vậy mà không phải độc giả nào cũng có thể tiếp cận. Cách tốt nhất là tuân thủ hướng dẫn của nhà sản xuất.

Chúng ta cũng nên tính đến việc ô tô có thể dùng để vận chuyển nhiều hành khách cùng lúc. Nếu tính mức tiêu hao nhiên liệu chia theo đầu người, đi ghép xe có thể cắt giảm đi hai, ba, bốn lần, hoặc thậm chí nhiều hơn.

Về dài hạn, liệu xe điện có phải là một phương tiện sử dụng năng lượng hiệu quả với ít ma sát? Nhìn chung, xe điện có ít chi tiết chuyển động hơn so với xe sử dụng động cơ đốt trong, đồng nghĩa trong quá trình vận hành tạo ra ít ma sát hơn, tức là sử dụng năng lượng hiệu quả hơn. Ước tính chỉ có chưa đến 5% năng lượng mất đi do ma sát.

Tuy nhiên, trước khi có thể đưa ra những lời có cánh dành cho xe điện, chúng ta vẫn cần cân nhắc đến các yếu tố khác của xe điện, như trọng lượng xe, giá pin, công đoạn khai thác và tái chế nguyên liệu làm xe điện.