Các công nghệ ứng dụng ở động cơ Mazda SkyActiv

phuctocdai.cba
Bình luận: 1Lượt xem: 1,710

phuctocdai.cba

Tài xế O-H

I. Động cơ Mazda SkyActiv:​

1. Giới thiệu:​

Trong khi các hãng ô tô đang chạy đua trong việc nghiên cứu các động cơ điện, động cơ hybrid xăng-điện hay động cơ chạy khí hydro vì những hạn chế của động cơ đốt trong, khi nguồn nhiên liệu hoá thạch trở nên đắt đỏ và dần cạn kiệt cũng như vấn đề xả thải ra môi trường cùng những tiêu chuẩn về khí thải dần trở nên ngặt nghèo. Mazda lại làm điều dường như ngược lại, Mazda tin rằng “xe điện” chưa hẳn là giải pháp khắc phục những hạn chế của động cơ đốt trong. Trong nỗ lực không ngừng nghỉ để tìm giải pháp khai thác tối đa hiệu quả của động cơ đốt trong, công nghệ động cơ Skyactiv đã ra đời.

cac-cong-nghe-ung-dung-o-dong-co-mazda-skyactiv.jpg

Công nghệ Skyactiv của Mazda

Theo Mazda, mặc dù đã liên tục được cải tiến hàng trăm năm qua, nhưng động cơ đốt trong hiện nay chỉ mới tận dụng được từ 20% đến 30% năng lượng hàm chứa trong nhiên liệu để biến thành động năng vận hành các bánh xe. Phần còn lại hoặc không được đốt trọn vẹn hoặc bị mất đi một cách vô ích dưới dạng nhiệt năng.Công nghệ "SkyActiv" của Mazda có nhiệm vụ phát huy tối đa tiềm năng của động cơ đốt trong trước khi phải tận dụng công nghệ động cơ điện. Cũng vì lý do này, trong khi những nhà sản xuất ô tô khác phát triển xe EV và Hybrid, Mazda tập trung vào việc phát triển những công nghệ độc đáo nhằm phát huy tiềm năng của động cơ đốt trong.

Bắt đầu từ động cơ, cách tiếp cận cơ bản của Mazda tập trung vào việc cải thiện qui trình đốt cháy, với điểm cốt lõi là tỷ lệ nén cao. Một khi đạt được tỷ lệ nén cao thì động cơ SkyActiv sẽ trở thành một động cơ có công suất cao. Tuy nhiên có một điều tồn tại từ lâu đó là việc nâng cao tỉ lệ nén cũng gây ra quá trình đốt trong bất thường và rung động cơ.

Khởi đầu, Mazda tiến hành phân tích rộng rãi nguyên nhân động cơ bị rung. Các nhà nghiên cứu của Mazda đã phát hiện ra rằng việc rung của động cơ tăng theo nhiệt độ của hỗn hợp xăng và không khí tại thời điểm đánh lửa.

Mazda đã tạo nên công nghệ làm giảm nhiệt độ của hỗn hợp xăng và không khí. Đầu tiên Mazda tạo ra hệ thống khí thải 4-2-1 để giảm khí nóng tồn tại trong xylanh. Thứ hai, Mazda sử dụng vòi phun với nhiều lỗ phun để tăng thêm hiệu quả, hỗn hợp xăng và không khí, đồng thời làm giảm nhiệt độ. Thứ ba Mazda đã thiết kế một khoang piston đặt biệt để đẩy nhanh quá trình đốt cháy, cải thiện mạnh mẽ qui trình đốt cháy.

cac-cong-nghe-ung-dung-o-dong-co-mazda-skyactiv (1).jpg

Động cơ Skyactiv-G

Kết quả là một động cơ đáng tự hào có tỷ lệ nén cao nhất thế giới cùng với sự cải thiện 15% hiệu suất nhiên liệu và năng lượng đã được ra đời, đồng thời cũng cải thiện khoảng 15% tốc độ momen xoắn từ trung đến thấp.

Công nghệ SkyActiv đã nhận được giải thưởng “Công nghệ của năm” đầu năm 2012. Bên cạnh động cơ hiệu suất cao, công nghệ SkyActiv còn bao gồm những cải tiến quan trọng trên toàn bộ chiếc xe bao gồm hộp số SkyActiv-Drive, SkyActiv-MT, hoặc cải tiến trên thân xe SkyActiv-Body và SkyActive-Chassis. Ngoài ra, công nghệ SkyActiv còn được phát triển trên động cơ dầu diesel (SkyActiv-D) và động cơ dùng khí thiên nhiên, thân thiện với môi trường (SkyActiv-CNG). Do giới hạn đề tài nên dưới đây sẽ chỉ trình bày các công nghệ cải tiến được dùng trên động cơ xăng SkyActiv-G.

II. Các công nghệ ứng dụng ở động cơ Mazda SkyActiv:​

1. Tỷ số nén cao nhất (14:1):​

Hệ số nén của động cơ đốt trong 4 kỳ là tỷ lệ giữa dung tích xylanh ở cuối kỳ nạp, khi piston ở điểm thấp nhất (điểm chết dưới, ĐCD), so với dung tích buồng đốt ở cuối kỳ nén, khi piston lên đến đỉnh điểm (điểm chết trên, ĐCT). Nói cách khác, là tỷ lệ giữa thể tích hòa khí được nạp và thể tích sau khi nén. Ở các động cơ cổ điển, tỷ lệ này là 8:1 (8 phần thể tích hòa khí, được nén còn 1 phần). Tỷ lệ nén càng cao, công suất động cơ càng mạnh. Trong nhiều thập kỷ qua, các nhà sản xuất ô tô đều tìm cách tăng hệ số nén của động cơ để gia tăng hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu.

Động cơ hút khí tự nhiên, hệ số nén chỉ 8:1, 9:1, khi được cải tiến với công nghệ phun nhiên liệu trực tiếp, hệ số nén của động cơ đốt trong đã tăng lên 10:1, một số ít động cơ đã đạt được 12:1. Và đây là ngưỡng các nhà sản xuất ô khác không vượt qua được vì nếu tăng thêm sẽ xẩy ra hiện tượng động cơ bị "gõ" hay bị "rung" do nhiên liệu tự cháy trước khi piston lên đến ĐCT và bugi chưa kịp đánh lửa. Khi xảy ra hiện tượng nhiên liệu cháy sớm ngoài mong muốn, công suất động cơ sẽ bị giảm. Mazda là nhà sản xuất ô tô duy nhất trên thế giới khắc phục được hiện tượng hòa khí cháy trước khi bugi đánh lửa và tăng được hệ số nén lên 14:1. Bí quyết nào giúp Mazda làm được điều này?

Các nhà sản xuất ô tô đã phát hiện được hiện tượng hòa khí tự cháy trước khi bugi đánh lửa phụ thuộc vào các yếu tố: hệ số nén, nhiệt độ hòa khí. Do vậy để tăng hệ số nén cần phải giảm nhiệt độ của hòa khí ở kỳ nén.

Ở kỳ nén, khi áp suất hòa khí tăng lên, nhiệt độ cũng tăng theo. Ví dụ nhiệt độ hòa khí ở cuối kỳ nạp là 97,5 độ C. Khi được nén 10:1, nhiệt độ sẽ tăng thêm 70 độ. Lúc piston ở ĐCT chuẩn bị nổ giãn, nhiệt độ sẽ là 167,5 độ.

Ở kỳ nổ, nhiệt độ và áp suất tăng vọt để đẩy piston xuống ĐCD. Trong quá trình này, nhiệt độ giảm dần xuống còn 750 độ C. Đây cũng là nhiệt độ của khí thoát.

Theo lý thuyết, ở động cơ hệ số nén 10:1, cuối kỳ thoát sẽ còn lại trong buồng đốt 10% lượng khí thoát. Ở kỳ nạp, 10% khí thoát tồn dư nhiệt độ 750 độ C sẽ hòa với 90% khí trời có nhiệt độ trung bình 25 độ C, khiến cho nhiệt độ hòa khí ở đầu kỳ nén là [ 750 + (9 x 25)] : 10 = 97,5 độ C. Khi piston di chuyển lên ĐCT, áp suất ngày càng tăng, hòa khí sẽ tăng thêm 70 độ C, nhiệt độ lúc này sẽ là 167,5 độ.

Tuy nhiên trên thực tế, nhiệt độ lúc này lên đến 200 độ C. Khi Ở nhiệt độ này, hòa khí có thể tự cháy nổ bất cứ lúc nào mà không cần tia lửa điện, gây ra hiện tượng cháy sớm ngoài mong đợi. Giải thích về sự khác biệt giữa nhiệt độ lý thuyết và thực tế các kỹ sư của Mazda đã xác định được nguyên nhân là lượng khí thải tồn dư trong xylanh ở cuối kỳ thoát không phải là 1 mà là 1,5 hoặc cao hơn, đã làm tăng nhiệt độ : [ (750 x 1,5) + (9 x 25) ] : 10,5 = 128,57 độ C, cộng với nhiệt độ tăng thêm 70 độ C khi bị nén, khiến nhiệt độ lên đến 200 độ C.

Nguyên nhân khiến lượng khí xả lưu lại trong buồng đốt nhiều hơn lý thuyết là do khí thoát của piston trước đó tác động lên cửa thoát của piston đang làm nhiệm vụ xả khí. Mazda giảm thiểu áp lực của piston thoát trước đến piston thoát sau bằng hệ thống xả 4-2-1 (4-2-1 exhaust system).

2. Hệ thống xả 4-2-1:​

Tên đầy đủ là hệ thống xả 4-2-1-3. Đây là 4 xylanh được đánh số theo thứ tự sẽ kế tiếp nhau trong kỳ xả. Dưới đây là sơ đồ 4 kỳ hoạt động của 4 xylanh.

Bảng thứ tự hoạt động của xylanh trên động cơ SkyActiv:
cac-cong-nghe-ung-dung-o-dong-co-mazda-skyactiv (3).jpg


Mazda nhận thấy ở hệ thống khí xả cũ, đoạn nối 4 ống xả của 4 xylanh đến điểm nối chung của ống xả cái đều ngắn và nhỏ. Điều này sẽ khiến cho áp suất của xylanh đang xả chịu sự tác động của áp lực khí thoát của xylanh trước đó.​

Thí dụ, ở hệ thống ống xả ngắn, ở kỳ 3, xylanh số 1 ở trạng thái xả, áp suất ở ống xả sẽ tăng lên đột ngột rồi giảm xuống từ từ theo tốc độ thoát khí. Đến kỳ 4, xylanh số 1 sẽ chuyển sang trạng thái hút và xylanh số 3 sẽ ở trạng thái thoát. Nhưng lúc này áp suất khí xả của xylanh số 1 vẫn tác động đến ống thoát ở xylanh số 3 khiến 1 phần khí xả đáng lẽ thoát ra được phải quay trở lại buồng đốt.

cac-cong-nghe-ung-dung-o-dong-co-mazda-skyactiv (4).jpg

Hệ thống xả 4-2-1 giúp cải thiện áp suất khí sót

Để khắc phục, hệ thống xả 4-2-1 có ống xả lớn hơn và dài hơn, được bố trí sao cho đoạn kết nối giữa các ống xả 4-2, 2-1, 1-3, 3-4 là dài nhất (trên 60 cm). Đoạn ống xả nối giữa xylanh số 2 và 3 tuy ngắn nhưng đây không phải là 2 xylanh xả khí liên tiếp nhau.

Sự tác động của lực thoát ở xylanh trước đến xylanh sau còn tùy thuộc vào vòng quay động cơ. Điển hình là sự tác động của áp lực xả ở xylanh số 1 đến xylanh số 3 (xem ảnh). Ở hệ thống ống xả kiểu cũ áp lực này tối đa trong khoảng vòng quay của động cơ từ 2.000 đến 8.000 vòng/phút (rpm). Đối với hệ thống ống xả 4-2-1, áp suất tối đa của khí xả xylanh xả trước tác động lên xylanh xả sau nằm trong khoảng tua máy từ 0 đến 2.000 vòng/phút, là vòng tua mà động cơ ít vận hành. Ở tua máy cao hơn 2.000 vòng / phút, là khoảng tua máy thường xuyên hoạt động, áp lực giảm đến mức tối thiểu (xem ảnh 3). Như vậy, công nghệ ống xả 4-2-1 giúp cho khí nóng thoát ra tối đa giảm được nhiệt độ hòa khí ở kỳ nạp.

Tóm lại, hệ thống ống xả 4-2-1 có tiết diện lớn hơn để giảm áp suất, dài hơn để áp lực khí xả tác động đến xylanh kế tiếp phải chậm lại, không rơi vào đúng thời điểm van xả được mở. Việc kéo dài ống xả cũng giúp cho khí xả giảm được nhiệt độ trước khi tiếp xúc với chất xúc tác ở bình lọc khí thải, giúp cho tuổi thọ của các chất xúc tác được kéo dài và nâng cao hiệu quả của việc loại bỏ các chất khí độc hại.

Theo Mazda, việc nâng cao hệ số nén đã góp phần làm tăng 15% hiệu quả nhiên liệu và tăng 15% mô men xoắn khi động cơ vận hành ở vòng quay chậm và trung bình.

3. Hệ thống tăng áp mới (Dynamic Pressure Turbo):​

Hệ thống Dynamic Pressure Turbo được trang bị cho động cơ SkyActiv-G 2.5L được kết hợp với các tính năng của hệ thống VGT. Giống như hệ thống VGT, hệ thống tăng áp mới làm tăng tốc độ dòng khí thải lên bằng cách thu nhỏ tiết diện luồng khí lại, giúp tăng tốc turbo.

cac-cong-nghe-ung-dung-o-dong-co-mazda-skyactiv (5).jpg

Dynamic Pressure Turbo

Hình cho thấy nguyên lý hoạt động của hệ thống tăng áp mới trên Skyactv-G. Đường ống thải được chia thành 2 phần như hình, một bướm gió được bố trí trên cửa đường ống lớn hơn. Ở tốc độ thấp, bướm gió đóng kín lại không cho khí thải đi qua cửa lớn. Với tiết diện đường ống nhỏ hơn, tốc độ luồng khí thải được tăng lên đáng kể cải thiện được hiện tượng trễ trên turbo. Ở tốc độ cao, bướm gió mở hoàn toàn đồng thời van EGR cũng được mở nhằm hạn chế sự cản dòng khí thải của quá trình thải trong động cơ cũng như đưa khí xả về để hạ nhiệt độ trong buồn đốt.

cac-cong-nghe-ung-dung-o-dong-co-mazda-skyactiv (6).jpg

Hệ thống tuần hoàn khí xả EGR trên Skyactiv

4. Piston lõm:​

cac-cong-nghe-ung-dung-o-dong-co-mazda-skyactiv (7).jpg

Piston lõm dùng trên động cơ SkyActiv

Với cảm nhận bằng giác quan, ta có cảm tưởng phản ứng cháy nổ của hỗn hợp nhiên liệu không khí xảy ra tức thì, ngay khi bugi phát ra tia lửa điện. Trên thực tế, phản ứng cháy lan truyền từ vị trí tia lửa điện đến khu vực ở xa hơn trong buồng đốt. Vận tốc cháy lan thậm chí còn chậm hơn vận tốc di chuyển của piston từ ĐCT xuống ĐCD. Khi động cơ vận hành ở vận tốc cao, nhiên liệu chưa kịp cháy hết bị thoát ra môi trường.Để khắc phục nhược điểm này, ở động cơ hút khí tự nhiên đã điều chỉnh đánh lửa sớm trước khi piston đạt đến ĐCT, giải pháp này tuy đem lại hiệu quả nhiên liệu, nhưng chưa cao.

Để tăng thêm lượng hòa khí được đốt cháy, nhiều nhà sản xuất ô tô bổ sung thêm giải pháp phun nhiên liệu phân tầng để tập trung hơi xăng vào gần bugi. Mazda không sử dụng phun nhiên liệu phân tầng, thay vào đó sử dụng piston có vùng lõm ở giữa để ép hòa khí vào gần tia lửa điện của bu gi. Kết quả của giải pháp này đã làm tăng 15% hiệu quả nhiên liệu.

5. Phun nhiên liệu nhiều dòng:​

Để dập tắt 1 đám cháy, lính cứu hỏa sử dụng biện pháp ngăn không cho vật cháy tiếp xúc với oxy trong không khí bằng CO2 hoặc bọt xà phòng.Nhưng biện pháp thường dùng nhất là phun nước để hạ nhiệt độ vật cháy và môi trường cháy, càng nhiều vòi phun, lửa được dập tắt càng nhanh. Chữa cháy bằng nước vận dụng quy luật, khi 1 gram nước bốc hơi (chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái khí) sẽ hấp thu 540 calo, làm nhiệt độ giảm nhanh. Xăng cũng thế, khi xăng chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái khí cũng hấp thu nhiệt làm giảm nhiệt độ môi trường chung quanh.

Tương tự như lính cứu hỏa dập lửa cách hạ nhiệt độ đám cháy bằng vòi phun nước. Các nhà sản xuất ô tô hạ nhiệt độ buồng đốt bằng công nghệ phun nhiên liệu trực tiếp vào xylanh. Kết quả, với hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp, các nhà sản xuất ô tô đã nâng được hệ số nén từ 8:1 lên 11:1 và 12:1.

Nhưng công nghệ phun nhiên liệu trực tiếp của Mazda hoàn toàn khác với những nhà sản xuất ô tô khác.Trong khi những nhà sản xuất ô tô khác sử dụng công nghệ nạp nhiên liệu phân tầng (Stratified charge), Mazda sử dụng công nghệ nạp nhiên liệu đồng nhất (Homogeneous charge). Điểm khác biệt ở 2 công nghệ này là: Công nghệ phun nhiên liệu phân tầng phun nhiên liệu ở kỳ nén vào giữa xylanh, điểm gần với bugi nhất. Hòa khí sẽ phân thành 2 lớp: ở khu vực gần bugi, nồng độ nhiên liệu cao; Ở xa bugi, hòa khí nghèo nhiên liệu hơn. Kết quả là khi đánh lửa, hòa khí được cháy gần như trọn vẹn.

cac-cong-nghe-ung-dung-o-dong-co-mazda-skyactiv (8).jpg

Phun nhiên liệu trên động cơ SkyActiv

Ở công nghệ phun nhiên liệu đồng nhất SkyActiv, xăng được phun vào thì nạp bằng đầu phun nhiều dòng, các hạt bụi xăng có kích thức vài phần triệu milimet nhanh chóng bay hơi, hấp thu nhiệt lượng và hòa khí trở thành đồng nhất. Công nghệ nạp nhiên liệu đồng nhất với đầu phun nhiều vòi giúp hạ nhiệt độ buồng đốt. Cùng với hệ thống xả 4-2-1 giúp cho động cơ SkyActv của Mazda đạt hệ số nén 14:1. Một con số cao nhất thế giới hiện nay đối với động cơ xăng.

6. Công tổn hao ở mức thấp nhất:​

Để cải thiện hiệu suất động cơ cũng như giảm tổn thất do công bơm ở chế độ tải nhỏ khi piston hút không khí vào trong xylanh ở kỳ nạp. Mazda đã giảm thiểu tổn thất do công bơm bằng một xupap kép S-VT (Sequential Valve Timing) trên đường ống nạp và đường ống xả. Xupap này có thể thay đổi được thời gian đóng và mở, cho phép lượng không khí đi vào được điều khiển bởi xupap nhiều hơn là bởi bướm ga. Trong suốt quá trình nạp, bướm ga và xupap nạp được giữ mở trong khi piston di chuyển xuống dưới. Kỳ nạp kết thúc khi piston chạm đến điểm chết dưới. Nhưng nếu lúc này xupap đóng lại sẽ có quá nhiều không khí bên trong xylanh trong khi chỉ cần một lượng nhỏ để động cơ hoạt động ở tải thấp. Để đẩy không khí thừa ra ngoài. S-VT sẽ giữ xupap nạp vẫn mở khi piston bắt đầu di chuyển lên trên ở quá trình nén. Sau đó xupap nạp sẽ được đóng lại khi đã đẩy hết lượng không khí không cần thiết ra bên ngoài. Đây là cách mà S-VT giảm thiểu tổn thất do công bơm, làm cho tổng thể quá trình cháy hiêu quả hơn.

cac-cong-nghe-ung-dung-o-dong-co-mazda-skyactiv (11).jpg

Nguyên lý hoạt động của Sequential Valve Timing

Một nhược điểm của quá trình này là làm mất ổn định quá trình cháy. Xupap nạp được mở từ quá trình nạp cho tới khi quá trình nén bắt đầu, làm cho hỗn hợp không khí trở nên khó cháy. Tuy nhiên đây không còn là vấn đề đối với động cơ SkyActiv, đó là nhờ tỷ số nén 14:1. Tỷ số nén cao làm tăng nhiệt độ và áp suất trong buồng đốt, vì vậy mà quá trình cháy vẫn diễn ra ổn định, công bơm được giảm thiểu và động cơ tiết kiệm nhiên liệu hơn.

7. Giảm khối lượng và ma sát trong động cơ:​

Để đáp ứng được yêu cầu tổng thể của chiếc xe, động cơ được tinh chỉnh nhẹ hơn bằng cách giảm kích thước và khối lượng các thành phần của nó. Với piston nhẹ hơn 20%, các cơ cấu khớp nối nhẹ hơn 15%, ma sát trong động cơ được cải thiện lên đến 30% và tiết kiệm nhiên liệu lên đến 15% so với các động cơ kiểu cũ.

8. Động cơ thế hệ mới, đánh lửa không cần bugi SkyActiv-X:​

Mazda đã công bố thông tin về động cơ xăng áp dụng công nghệ SkyActive-X không cần bu-gi, gọi tắt là SCCI (Spark Controlled Compression Ignition). Công nghệ này tương tự với nguyên lý tự bốc cháy trên động cơ diesel vàcông nghệ HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) trên các động cơ hiện hành.

Về nguyên lý, động cơ diesel khác với máy xăng thông thường ở phương pháp kích hoạt phản ứng cháy của hỗn hợp nhiên liệu - không khí. Trên các động cơ dầu, nhiên liệu diesel được phun vào buồng đốt, hòa trộn với không khí đồng thời được nén ở áp suất cao để sinh nhiệt và tự bốc cháy, giãn nở và sinh công. Hiệu suất của động cơ diesel cao hơn và nhiên liệu này lại rẻ hơn so với xăng, cho nên chúng được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, đặc biệt là giao thông vận tải. Tuy nhiên, so với máy xăng, động cơ diesel có cấu trúc phức tạp và khối lượng nặng hơn, tốc độ động cơ thấp hơn, khí thải độc và nhiều hạt thể rắn hơn, đặc biệt là vận hành rung ồn hơn.

cac-cong-nghe-ung-dung-o-dong-co-mazda-skyactiv (10).jpg

Công nghệ HCCI là sự kết hợp giữa động cơ xăng và diesel

Nhằm khắc phục những nhược điểm và tối ưu hóa thế mạnh của động cơ không bu-gi, các kỹ sư Mazda đã áp dụng công nghệ SCCI kết hợp với nhiên liệu xăng, kết quả là động cơ SkyActive-X mới của họ đã tăng công suất từ 20-30%, đồng thời tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Tổng hợp
 

Bạn hãy đăng nhập hoặc đăng ký để phản hồi tại đây nhé.

Bên trên