Top 10 cải tiến trong thiết kế động cơ đốt trong

Động cơ đốt trong đã trải qua một lịch sử dài ra đời và phát triển song song với sự phát triển của ngành công nghiệp ôtô. Từ những ngày đầu với những mẫu động cơ đơn giản, hiệu năng thấp, tiêu tốn nhiên liệu và khí thải, cùng với thời gian đã có nhiều công nghệ hiện đại được áp dụng nhằm tạo ra những mẫu động cơ hiện đại ngày nay : cho phép người dùng có những trải nghiệm tuyệt vời nhất và giảm tiêu thụ nhiên liệu và khí thải đến mức tối đa nhằm đáp ứng được những tiêu chuẩn về môi trường vô cùng khắt khe hiện nay.

1/ Sự ra đời của động cơ 4 thì (Four-stroke Engine Cycle hay Otto Engine) :

Ra đời vào những năm 1800 bởi nhà sáng chế Nikolaus Otto , bao gồm 4 thì : Nạp-nén-nổ-xả. Chủ yếu dùng nhiên liệu xăng và diesel (có một số dùng hỗn hơp xăng + ethanol).

Một số mẫu động cơ nổi bật : Ecoboost của Ford, Twin Turbo dCi của Renault,…

Động cơ đốt trong

Ưu điểm : Hiệu năng cao, giảm ô nhiễm, tăng độ bền, tăng sức mạnh cho động cơ so với động cơ 2 thì.

Nhược điểm : Có cấu tạo và nguyên lý hoạt động phức tạp hơn động cơ 2 thì, phí sản xuất cao.

2/ Sự xuất hiện của siêu tăng áp (Turbocharger) :

Ngày nay, các hãng xe có xu hướng sử dụng những động cơ bé hơn (Downsizing) và thay vào đó là gắn thêm 1-2 turbocharger nhằm giúp xe có sức mạnh tương đương với những chiếc xe với động cơ to hơn mà không làm tăng lượng khí thải và nhiên liệu tiêu thụ. Ví dụ như trên chiếc Mini Cooper S, với động cơ chỉ 1.6l nhưng vẫn có thể tạo ra hơn 200 mã lực khi cần thiết.

Turbocharger

Ưu điểm : tăng sức mạnh cho xe mà không làm thay đổi dung tích động cơ cho phép tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải.

Nhược điểm : hệ thống turbocharger thường có tốc độ phản ứng chậm gây ra hiện tượng “lag” ở trong dải vận tốc thấp, yêu cầu xăng có chất lượng cao không cặn bẩn.

3/ Phun nhiên liệu (Fuel Injection) :

Trong nỗ lực nhằm giảm khí thải cũng như lượng nhiên liệu tiêu thụ, hệ thống cấp liệu sử dụng trong xe đương đại đã thay đổi đáng kể trong những năm qua. Với các yêu cầu nghiêm ngặt hơn về khí thải, người ta đã lắp thêm bộ chuyển đổi xúc tác (catalytic converter) cho ôtô. Và để hệ thống này hoạt động hiệu quả, cần phải kiểm soát rất chặt chẽ tỷ lệ hỗn hợp đốt không khí/nhiên liệu (air-to-fuel ratio) trong xy-lanh. Nhằm kiểm soát được tỷ lệ này, các cảm biến sẽ xác định lượng ôxy trong ống xả, và máy tính điều khiển động cơ (ECU) sẽ sử dụng thông tin đó để điều chỉnh tỷ lệ hỗn hợp đốt thực tế. Song, việc kiểm soát như vậy sẽ không khả thi nếu sử dụng cácbuaratơ. Và thế là người ta nhanh chóng chuyển sang ứng dụng giải pháp kim phun nhiên liệu.

Ưu điểm : tăng hiệu quả sử dụng nhiên liệu của động cơ, tăng sức mạnh cho động cơ, dễ khởi động hơn.

Nhược điểm : phức tạp, chi phí thay lắp cao.

Ngày nay, Fuel injection đã trở thành một tiêu chuẩn chung cho mọi động cơ xe ôtô và có lẽ sẽ còn lâu nữa chúng ta mới có thể có một tiêu chuẩn về cách chế hòa khí mới.

4/ Phun nhiên liệu trực tiếp (Direct Fuel Injection) :

Phun nhiên liệu trực tiếp vào xylanh là công nghệ mới nhất hiện nay. Giải pháp này có chi phí tốn kém hơn những hệ thống phun nhiên liệu không trực tiếp bởi các kim phun nhiên liệu phải tiếp xúc với nhiệt độ và áp suất cao, do đó, cần được chế tạo từ những vật liệu bền vững và đắt tiền hơn, đồng thời cũng đòi hỏi hệ thống điều kiển điện tử tốn kém hơn. Kim phun nhiên liệu trực tiếp đưa nhiên liệu vào buồng đốt với áp suất cao hơn nhiều. Một số hệ thống hoạt động ở mức áp suất từ 2.000 đến 3.000 psi (136- 204 atmosphere). Áp suất cao hơn giúp nhiên liệu phun vào xylanh có dạng sương mù mịn, đều và nhanh chóng bốc hơi hơn. Ngoài ra, phun nhiên liệu trực tiếp cũng làm giảm diện tích tiếp xúc của nhiên liệu trước khi nó được đốt cháy. Một khi tiếp xúc với thành xylanh, mặt trong của van nạp hay các cổng nạp, một phần nhiên liệu có thể ngưng tụ lại thành những giọt nhỏ trong khi nhiên liệu chỉ cháy khi ở dạng hơi. Vì thế, các giọt nhỏ này sẽ không được đốt cháy trong xylanh và phun nhiên liệu trực tiếp giúp hạn chế khả năng này. Những yếu tố đó giúp phun nhiên liệu trực tiếp tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu từ 15-20%.

Ưu điểm : giảm tiêu thụ nhiên liệu, tăng sức mạnh và hiệu năng của động cơ.

Nhược điểm : một kỹ thuật mới cần thêm thời gian để làm chủ hoàn toàn, một số có hiện tưởng đóng cặn carbon trên van dẫn gây ra tắc nghẽn.

Tuy nhiên, không thể phủ nhận Direct Fuel Injection là một trong những cải tiến giúp tăng đáng kể hiệu năng của động cơ và chắc chắn nó sẽ còn xuất hiện nhiều hơn nữa trong những dòng xe đời mới.

5/ Khung động cơ được làm bằng nhôm :

Động cơ trước đây được làm từ sắt, nay hầu hết đều được thay thế bằng nhôm giúp giảm khối lương (1 động cơ khung nhôm chỉ có khối lượng bằng một nửa động cơ khung sắt tương đương) qua đó giúp tiết kiệm nhiên liệu và tăng hiệu năng chung của xe.

Ưu điểm : giảm đáng kể khối lượng của động cơ.

Nhược điểm : một số động cơ lớn cỡ V8 vẫn được sản xuất bằng kim loạt sắt, so với sắt, nhôm là kim loại kém hơn về các tính chất vật lý : độ cứng, độ chịu nhiệt. Trong quá trình hoạt động, một số động cơ nhôm thường gặp phải một số vấn đề do buồng xy-lanh bị biến dạng do nhiệt dẫn đến giảm độ bền của động cơ.

Ngày nay, với sự phát triển của kỹ thuật vật liệu, các nhược điểm nêu trên hầu hết đã được xử lý và nhôm đã khẳng định được vị trí của nó trong việc sản xuất động cơ xe.

6/ Trục cam trên cao (Overhead Camshafts):

Trước đây, trong quá khứ, các động cơ chủ yếu dùng hệ thống cơ khí “pushrods” để kiếm soát việc nạp và xả hòa khí (hình vẽ). Hệ thống van xả và van nạp đóng mở được điều khiển bởi trục cam đặt bên trong khối động cơ thông qua 1 thanh nối. Hệ thống này làm tăng khối lượng động cơ và bị hạn chế về tốc độ.

Hệ thống trục cam “pushrods”

Ngược lại, với việc đặt trục cam phía trên đầu buồng xy-lanh cho phép giảm kích thước trục, lược bỏ các thanh “pushrods”.

Hệ thống trục cam treo “overhead camshafts”

Ưu điểm : giúp hỗn hơp không khí và nhiên liệu đi vào buồng đốt nhiều hơn, dễ dàng hơn còn khí đốt thoát ra một cách dễ dàng hơn, do đó tăng hiệu năng trong một chu kỳ di chuyển của píttông => tăng hiệu năng chung cho cả động cơ. Giảm khối lượng của động cơ, tăng tốc độ phản ứng.

Nhược điểm : tăng độ phức tạp và chi phí trong việc sản xuất động cơ.

7/ Thời gian đóng mở van linh hoạt (VTEC) :

Trong quá trình động cơ hoạt động, có những thời điểm, động cơ cần nhiều hơn không khí để đốt, ví dụ như trong những đoạn đường leo dốc mà người lái muốn tăng tốc. Nhưng ở những động cơ truyền thống, lượng khí nạp vào và thải ra là không đổi do thời gian đóng mở của van đã được lập trình và cố định bởi hệ thống kiểm soát động cơ (ECU), dẫn đến việc không đảm bảo được trải nghiệm lái tốt nhất cho người sử dụng.

Với việc trang bị khả năng giúp điều chỉnh thời gian đóng mở van linh hoạt, lượng khí vào và ra trong mỗi chu kỳ của động cơ có thể được điều chỉnh vừa vặn với yêu cầu của động cơ sao cho tối ưu hóa được hoạt động của động cơ và giúp tăng hiệu năng chung của chiếc xe. Hãng Honda, Toyota và BMW là những hãng xe đã bắt đầu áp dụng hệ thống này.

Ưu điểm : tiết kiệm nhiên liệu, công suất động cơ linh hoạt.

Nhược điểm : chi phí sản xuất tăng.

8/ Hệ thống kiếm soát động cơ điện tử (Engine Control Unit) :

Hay còn được gọi theo cách khác là Engine Control Unit (ECU). Đây là hệ thống bo mạch giúp kiểm soát và đảm bảo mọi quy trình diễn ra trong quá trình hoạt động của động cơ như : đánh lửa, tỉ lệ hòa khí trong buồng xy-lanh, phun nhiên liệu đều đạt hiệu suất cao nhất. Nó sử dụng hệ thống cảm biết vô cùng chính xác và có khả năng tính toán hàng triệu phép tính trong 1 giây để có thể nắm bắt được mọi thông số kỹ thuật của động cơ và giúp mọi thứ diễn ra hoàn hảo. Ngoài hệ thống này ra, thì trên ôtô còn có 1 số hệ thống điện tử khác tương tự giúp kiểm soát hệ thống điện, hệ thống an toàn, hệ thống truyền động, v.v…

Ưu điểm : giúp kiểm soát hoạt động của động cơ tốt hơn qua đó tăng tiết kiệm nhiên liệu và hạn chế khí thải, giúp dễ dàng nhận biết được các vấn đề kỹ thuật của động cơ.

Nhược điểm : một hệ thống cơ điện tử phức tạp hơn, chi phí sản xuất cao hơn.

9/ Dầu Diesel sạch :

Phương pháp thiết kế động cơ diesel sạch xoay quanh một loạt mẫu thiết kế thay đổi động cơ diesel truyền thống nhằm làm giảm lượng khí NOx sinh ra, duy trì những ưu điểm và cải thiện một cách hiệu quả động cơ diesel. Bản chất của công nghệ CDC là phát triển khả năng không chế lượng NOx sinh ra trong quá trình cháy của động cơ. Lượng NOx sinh ra được giảm đi đáng kể trong buồng đốt của động cơ nhưng không hề ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ.

Ưu điểm : Công suất lớn, mô-men xoắn lớn, tiết kiệm nhiên liệu, hạn chế khí thải.

Nhược điểm : hiệu năng thấp ở dải vận tốc thấp, giá thành sản xuất động cơ cao.

10/ Công nghệ lai (Hybrid Engines) :

Một trong những cải tiến lớn nhất giúp cải thiện hiệu năng của động cơ, tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải đó chính là việc sử dụng động cơ lai (Hybrid Engines). Chiếc xe sẽ được vận hành bởi sự kết hợp giữa 1 động cơ điện và 1 động cơ đốt trong truyền thống. Hệ thống này sẽ được kiểm soát, tính toán cho phép kết hợp hoạt động của 2 động cơ sao cho tối ưu hóa được hoạt động của xe với ít nhiên liệu tiêu thụ và khí thải nhất.