Công nghệ "Sky Activ" 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.
[pagebreak]
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 "Sky Activ" 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.
1. Động cơ SkyActiv có hệ số nén cao nhất 14:1Hệ số nén của động cơ đốt trong 4 kỳ là tỷ lệ giữa dung tích xy lanh ở cuối kỳ nạp, khi pít tông ở điểm thấp nhất (điểm chết dưới, ĐCD) , so với dung tích buồng đốt ở cuối kỳ nén, khi pít tông 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 "rùng" do nhiên liệu tự cháy trước khi pít tông 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 bu gi 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 píttông 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 pít tông 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 pít tông 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 xy lanh 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 pít tông trước đó tác động lên cửa thoát của pít tông đang làm nhiệm vụ xả khí. Mazda giảm thiểu áp lực của pít tông thoát trước đến pít tông thoát sau bằng hệ thống xả 4-2-1 (4-2-1 exhaust system).
Hệ thống xả 4-2-1 (4-2-1 exhaust system)
Tên đầy đủ là hệ thống xả 4-2-1-3. Đây là 4 xy lanh được đánh số theo thứ tự sẽ kế tiếp nhau trong kỳ xả. Dưới đây là sơ đồ 4 kỳ hoạt động của 4 xy lanh.Xy lanh số 1 Xy lanh số 2 Xy lanh số 3 Xy lanh số 4
Kỳ 1 Nén Nổ Nạp Xả
Kỳ 2 Nổ Xả Nén Nạp
Kỳ 3 Xả Nạp Nổ Nén
Kỳ 4 Nạp Nén Xả Nổ
[tube]http://youtu.be/xSYo9Xdb0nE[/tube]
Mazda nhận thấy ở hệ thống khí xả cũ, đoạn nối 4 ống xả của 4 xy lanh đến điểm nối chung của ống xả cái đều ngắn và nhỏ. Điều này sẽ khiến cho áp suất của xy lanh đang xả chịu sự tác động của áp lực khí thoát của xy lanh trước đó.Thí dụ, ở hệ thống ống xả ngắn, ở kỳ 3, xy lanh 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, xy lanh số 1 sẽ chuyển sang trạng thái hút và xy lanh số 3 sẽ ở trạng thái thoát. Nhưng lúc này áp suất khí xả của xy lanh số 1 vẫn tác động đến ống thoát ở xy lanh số 3 khiến 1 phần khí xả đáng lẽ thoát ra được phải quay trở lại buồng đốt.
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 xy lanh số 2 và 3 tuy ngắn nhưng đây không phải là 2 xy lanh xả khí liên tiếp nhau. (ảnh 3, phần bên trái).
Sự tác động của lực thoát ở xy lanh trước đến xy lanh sau còn tùy thuộc vào vòng quay động cơ. Điển hình là sự tác động của áp lực xả ở xy lanh số 1 đến xy lanh 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 xy lanh xả trước tác động lên xy lanh 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 xy lanh 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.
Động cơ Mazda3 với những ống xả rất dài
Ảnh minh họa công nghệ chống hiện tượng nổ sớm ngoài ý muốn :
Chú thích ảnh 3: Vùng màu xám : áp suất khí xả tồn dư. Các đường chéo xanh lá cây, đen, tím: vòng tua máy 2.000, 4.000, 8.000 rpm.
Phun nhiên liệu nhiều vòi
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 nhiê liệu trực tiếp vào xy lanh. 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 xy lanh, điểm gần với bugi nhất. Hòa khí sẽ phân thành 2 lớp: ở khu vực gần bugi, nồng độ nhiên liệu cao; Ở xa bu gi, hòa khí nghèo nhiên liệu hơn. Kết quả là khi đánh lửa, hòa khí được cháy gần như trọn vẹn.
Ở công nghệ phun nhiên liệu đồng nhất SkyActiv, xăng được phun vào thì nạp bằng đầu phun nhiều vòi (phun nhiên liệu đa điểm), các hạt bụi xăng có kích thức vài phần triệu milimet (muy) 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.
[tube]http://youtu.be/U277ZDnzAAk[/tube]
Pít tông lõm
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 pít tông 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 pít tông 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 pít tông có vùng lõm ở giữa để ép hòa khí vào gần tia lửa điện của bu gi. (ảnh 4) Kết quả của giải pháp này đã làm tăng 15% hiệu quả nhiên liệu.
Ảnh pít tông lõm
2. Hệ thống stop-start không dùng khởi động điện (i-stop)
Trong khi hệ thống stop – start của các hãng ô tô khác dùng động cơ điện để tái khởi động động cơ đốt trong, hệ thống "i-stop" của Mazda hoàn toàn khác với công nghệ stop - start của các nhà sản xuất ô tô khác. I-Stop của Mazda sử dụng 1 xy lanh của chính động cơ xăng để khởi động những xy lanh còn lại, không làm tiêu hao điện của pin hay ắc quy.
Bí quyết của Mazda là, khi xe ngừng và tắt máy, hệ thống điều khiển điện tử sẽ không đánh lửa ở xy lanh đang ở kỳ nén khi pít tông lên đến ĐCT như thường lệ. Hệ thống điều khiển điện tử cũng điều khiển động cơ ngừng vào thời điểm chính xác khi pít tông vừa nhích khỏi ĐCT. Nhờ vào công nghệ phun nhiên liệu đồng nhất, hòa khí ở xy lanh này đã sẵn sàng để được đốt cháy, chỉ cần có tia lửa điện là xy lanh này tiếp tục kỳ nổ dãn và toàn bộ động cơ được khởi động.
Khởi động lại trực tiếp từ 1 xylanh chỉ mất 0,35 giây, bằng một nửa thời gian khởi động bằng động cơ điện lại rất êm, người lái bị mất hứng thú bởi tiếng kêu của khởi động điện.
Năm 2010, hệ thống i-stop của Mazda đã nhận được giải thưởng Ichimura Industrial - một giải thưởng được tài trợ bởi Tổ chức Phát triển Công nghệ Mới Tokyo. Trước đó, i-Stop Mazda đã nhận được 5 giải thưởng về sáng tạo trong công nghệ của nhiều tổ chức ở Nhật.
3. Mazda nhà sản xuất ô tô đầu tiên dùng siêu tụ điện để thu hồi năng lượng
Các nhà sản xuất ô tô khác sử dụng pin sạc để thu hồi năng lượng khi phanh hoặc giảm tốc. Nhưng việc sạc pin và ắc qui có nhược điểm là không thể sạc nhanh trong thời gian phanh xe. Do đó một phần động năng được chuyển thành điện năng qua máy phát điện sẽ bị mất đi do pin sạc không kịp thu giữ. Một thiết bị khác có thể thu giữ điện nhanh nhưng phát điện cũng rất nhanh đó là tụ điện. Mazda sử dụng một loại tụ điện mới có thể thu điện nhanh, và phát điện từ từ theo yêu cầu sử dụng điện. Đó là tụ điện 2 lớp (Electric Double Layer Capacitor ) còn được gọi là Supercapacitor hay Ultracapacitor.
Supercapacitor
Công nghệ i-ELOOP của Mazda dùng tụ điện 2 lớp để thu hồi năng lượng khi xe giảm tốc và cả khi phanh. Trong thực tế i-ELOOP tăng được khoảng 10% hiệu quả nhiên liệu.
Với quan điểm phát huy tối đa khả năng của động cơ đốt trong nên xe Mazda không sử dụng hệ thống Hybrid. Do đó không trang bị động cơ điện để hỗ trợ tăng tốc như các loại xe Hybrid. Điện năng dự trữ trong tụ điện sẽ được sử dụng để chạy các thiết bị điện như điều hòa không khí, tay lái trợ lực điện và hệ thống thông tin giải trí v.v.
Máy phát điện liên kết với hệ thống phanh tái tạo tạo ra dòng điện 1 chiều có điện áp từ 12-25 volt (tùy theo tốc độ xe khi phanh). Dòng điện 12-25 volt thông qua biến áp một chiều (DC/DC) sẽ được biến đổi thành 25 volt để nạp vào tụ điện 2 lớp. Điện từ tụ điện cũng thông qua biến áp một chiều chuyển thành 12 volt để sạc ắc qui và cung cấp cho các thiết bị điện của ô tô.
Mazda có kế hoạch trang bị i-ELOOP cho các kiểu mẫu xe đời 2014.
Do không phải sử dụng vật liệu đắt tiền, tụ điện 2 lớp có giá thành rẻ hơn pin lithium ion.
Tuy nhiên, theo Chủ tịch công ty Mazda, đây chỉ là những bước mở đầu của công nghệ SkyActiv. Mazda đang nghiên cứu phát triển động cơ Homogeneous charge compression ignition (Nhiên liệu đồng nhất kích nổ bằng sức nén), một loại động cơ xăng không cần bugi, được kích nổ giống như động cơ diesel. Loại động cơ này hứa hẹn sẽ đem lại hiệu quả nhiên liệu cao hơn. Hiện Mazda đã chạy thử nghiệm động cơ này nhưng còn đang trong quá trình hoàn thiện.
Last edited by a moderator:
Chủ đề tương tự
Ngày đăng:
