Mã lực và mô-men xoắn quan hệ thế nào?

Trong những thông số cơ bản nhất của một chiếc xe ôtô, mã lực và mô-men xoắn là hai yếu tố không thể thiếu. Các thông số này quan hệ với nhau một cách chặt chẽ và từng thông số quyết định tính năng của chiếc xe ở từng điều kiện vận hành.

So sánh tỉ lệ sinh mã lực và mô-men xoắn giữa các động cơ với nhau có thể là vấn đề khiến cho nhiều người sử dụng xe còn mơ hồ, thậm chí là không để ý. Một phần của sự khó hiểu này là ở chỗ khi các nhà sản xuất cải tiến hay cho ra đời một loại động cơ ôtô nào đó thì họ đã biết mình theo đuổi những đặc điểm kỹ thuật nào của động cơ để đạt được sự tối ưu về trọng lượng, kích cỡ cũng như mục đích sử dụng của chiếc xe. Các loại xe như xe tải, địa hình, du lịch hay siêu xe… đều được sinh ra với mục tiêu nhất định và không giống nhau.

Các thông số về giá trị công suất hay mô-men xoắn có thể biến thiên rất khác nhau trong dải vòng tua của động cơ, và thông thường các nhà sản xuất chỉ công bố giá trị cực đại tại số vòng tua nhất định. Điều này rất dễ gây nên sự hiểu lầm về sức mạnh của một chiếc xe. Chúng ta cùng xem công suất cũng như mô-men xoắn thực sự là gì và chúng được đo như thế nào.

Mã lực liên quan đến mô-men xoắn, và mô-men xoắn là lực quay hay lực xoay của trục khuỷu. Đặt một thiết bị đo lên trục khuỷu của động cơ và đo lực xoay của nó, bạn sẽ có thông số về mô-men xoắn. Xin lưu ý rằng, thời gian không có ý nghĩa trong phép đo này, điều đó có nghĩa là mô-men xoắn có thể được tính không giới hạn thời gian, có thể rất nhanh hoặc rất lâu.

Trái lại, mã lực lại là tỷ số mà tại đó mô-men xoắn được sản sinh ra, là phép đo khả năng làm việc của một động cơ. Một mã lực tương đương với lực nâng một vật nặng 33.000 pound (12.317kg) lên độ cao 1 foot (30,48cm) trong thời gian 1 phút. Mã lực được tính trong một khoảng thời gian nhất định. Động cơ một chiếc xe mà sinh ra càng nhiều mã lực thì nó di chuyển được một khối lượng càng lớn trong một khoảng thời gian nào đó. Nói cách khác, động cơ càng nhiều mã lực thì nó có thể mang một trọng lượng bất biến nào đó (chính là trọng lượng của chiếc xe) di chuyển một quãng đường nhất định trong một khoảng thời gian càng nhanh. Nói một cách đơn giản, để chiếc xe tăng tốc tốt hơn, thì động cơ cần sản sinh ra mô-men xoắn nhanh hơn.

Cho đến năm 1971, đơn vị mã lực được báo cáo trong tài liệu công bố của Hiệp hội Kỹ sư Ô tô Mỹ - SAE (Society of Automotive Engineers). Phép đo mã lực của SAE được tiến hành tại bánh đà trong động cơ, nhưng không có một phụ kiện nào đi kèm như ống xả hay bầu lọc gió. Năm 1972, các phép thử nghiệm của SAE đã có sự khác biệt, và thông số được đo với tất cả các phụ kiện trên cùng các bộ phận cần thiết khi động cơ được lắp trên chiếc ôtô. Kết quả khá bất ngờ, bởi các tỷ số công suất từ phép đo này đã giảm đi đáng kể.

Vài năm trước, SAE đã công bố một quy trình đánh giá mã lực và mô-men xoắn mới có tên J1349. Chuẩn mực của quy trình J1349 này không những đề cập chi tiết đến các bước tiến hành thử nghiệm mới trong việc đo mã lực của động cơ, mà còn yêu cầu có người làm chứng đủ trình độ chuyên môn của SAE và cuối cùng là xác minh lại bằng kiểm nghiệm thực tế. Điều này giúp các khách hàng mua xe có thể tin cậy và so sánh thông số mã lực của một động cơ mà họ quan tâm với động cơ khác. Tuy nhiên, có rất nhiều yếu tố khác ảnh hưởng đến tính năng vận hành của một chiếc xe chứ không chỉ là thông số mã lực.

Vấn đề này khiến chúng ta quay trở lại với thông số mô-men xoắn. Các loại động cơ diesel thông thường có tỷ số mô-men xoắn cao hơn so với tỷ lệ sinh mã lực của chính nó. Một phần của sự khác biệt này nằm ở chỗ áp suất nén bên trong các động cơ diesel cao hơn, nhưng cốt lõi vấn đề chính là nhờ quá trình đốt cháy nhiên liệu diesel. Sự đốt cháy diesel bắt đầu khi nhiên liệu được bơm vào trong xi-lanh. Nhiên liệu bốc cháy đẩy piston từ điểm chết trên xuống điểm chết dưới và làm cho trục khuỷu quay. Mô-men xoắn chính là lực xoay của trục khuỷu. Khi chúng ta muốn tăng tốc hoặc kéo một vật có tải trọng càng lớn với một chiếc xe trang bị động cơ diesel, thì cần lượng nhiên liệu được bơm vào càng nhiều để tăng lực xoay đó. Không như động cơ xăng, nhiên liệu được bơm vào bên trong xi-lanh trước khi bu-gi đánh lửa làm cháy hỗn hợp nhiên liệu rồi phát nổ, việc bơm nhiên liệu trong động cơ diesel diễn ra liên tục dưới dạng sương mù vào trong xi-lanh ngay cả khi quá trình cháy đang diễn ra. Điều này khiến cho áp suất và lực đẩy lên piston lớn hơn trong một khoảng thời gian dài hơn – vì vậy mà sinh ra lực xoắn lớn hơn.

Mã lực là tỷ số mà tại đó mô-men xoắn được sản sinh ra. Như vậy về lý thuyết, số vòng tua của động cơ càng cao thì mã lực mà nó sinh ra càng lớn. Nhưng thực tế là công suất của động cơ đạt cực đại tại số vòng tua nào đó (thường thấp hơn nhiều so với số vòng tua tối đa). Căn nguyên của vấn đề này là do những giới hạn về mặt cơ khí hoặc sự hạn chế luồng không khí vào trong động cơ. Các động cơ xăng thường có tỷ số mã lực cao hơn tỷ số mô-men xoắn, bởi các bộ phận chính cấu thành nên động cơ xăng nhẹ hơn (so với động cơ diesel cùng dung tích). Yếu tố đó cho phép động cơ quay nhanh hơn, vì vậy chúng có thể sản sinh ra mã lực nhanh hơn và giúp cho chiếc xe tăng tốc tốt hơn.

Tất cả các chỉ số mã lực và mô-men xoắn đều đạt đến mức cực đại ở một mốc vòng tua nhất định của động cơ. Tỷ số giá trị cực đại đó có thể thường xuyên không đạt được trong quá trình xe vận hành, trừ khi xe đạt số vòng tua lý tưởng trong điều kiện chạy bình thường. Chẳng hạn, một động cơ đua có thể sinh ra rất nhiều mã lực tại số vòng tua 7.000 vòng/phút, nhưng lại rất yếu ở tốc độ 2.500 vòng/phút. Do đó, chiếc xe có thể gây thất vọng nếu chạy trên đường phố với số vòng tua thấp, ở tốc độ thấp. Hệ thống kiểm soát cam biến thiên hay van biến thiên (VVT), thiết bị tinh chỉnh cổ hút biến thiên (Variable Intake Manifold Tuning) hay turbo tăng áp là tất cả những công nghệ được sinh ra để mở rộng phạm vi mà tại đó công suất cũng như mô-men xoắn đạt cực đại.

Để chiếc xe có được sức kéo tốt, nó cần rất nhiều mô-men xoắn ở số vòng tua máy thấp. Một số động cơ như Ecoboost của Ford sử dụng turbo kép giúp xe đạt mô-men xoắn cực đại tại dải vòng tua từ 1.500 vòng/phút đến 5.250 vòng/phút. Còn để tăng tốc tốt (tức là kéo trọng lượng chiếc xe đi nhanh hơn trong một khoảng thời gian nhất định), chiếc xe lại cần nhiều mã lực. Nếu động cơ mà lại đạt được công suất tối đa tại số vòng tua thấp thì nó thực sự mang lại cảm giác thú vị và hưng phấn cho người ngồi sau vô-lăng.

Mô-men xoắn trong off-road

Tại sao mô-men xoắn lại là yếu tố tối quan trọng trong off-road? Cả mã lực và mô-men xoắn đều ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ của xe. Mã lực thì ảnh hưởng đến khả năng bứt phá của xe ở tốc độ cao, trong khi mô-men xoắn hỗ trợ khả năng tăng tốc từ lúc xe bắt đầu chuyển bánh. Do đó, mô-men xoắn còn được gọi là sức mạnh ở tốc độ thấp.

Trong khi đó, off-road không phải là phóng vi vu trên xa lộ ở tốc độ cao, mà cần kiểm soát để cho xe di chuyển chậm, thậm chí nhích từng tí trên các địa hình hiểm trở như đồi núi, sình lầy, băng tuyết… Chính vì vậy, những chiếc xe off-road thực thụ cần được trang bị động cơ có mô-men xoắn tối ưu ở số vòng tua thấp, cộng với sự hỗ trợ của một vài công nghệ khác như lốp địa hình, khóa vi-sai, hệ thống treo biên độ lớn…